CN114858877A - 一种超柔软自支撑纳米网电极及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超柔软自支撑纳米网电极及其制备方法与应用，属于电化学、电生理学及材料科学领域。本发明的电极包括含镂空结构的弹性薄膜基底、导电层、金属外接电极引线、绝缘胶以及细胞培养池；其中，PEDOT纳米纤维均匀、正交地排列在弹性薄膜基底表面上形成网络状的导电层，导电层与金属外接电极引线连接，且在导电层与金属外接电极引线连接点周围涂覆绝缘胶用于固定和绝缘，镂空结构周围涂覆绝缘胶筑成细胞培养池。本发明的电极除具有自支撑性能外，还具有优异的导电性、电化学性能和良好的细胞相容性，可用于动态细胞的信号监测。本发明为动态细胞和软组织的自然运动提供更广阔的化学和电子信息获取途径。

Description

一种超柔软自支撑纳米网电极及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于电化学、电生理学及材料科学领域，具体涉及一种超柔软自支撑纳米网电极及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，具有较强机械可塑性的柔性传感器受到广泛关注，其在传感、电子学和可穿戴电子器件等领域展示了巨大的应用前景。在生物检测方面，可拉伸电化学传感器由于具有灵敏度高、检测限低、响应快等特点而成为一种独特的技术，可实时监测动态细胞和组织中的生化分子。然而，绝大部分柔性可拉伸传感器都有基底(如聚酰亚胺和聚二甲基硅氧烷)来支撑上述导电材料，基底材料的存在通常会使整个传感器的弹性模量提高到数百兆帕斯卡(MPa)甚至吉帕斯卡(GPa)，远超体内大多数软组织(kPa～MPa范围内)。电子传感器与生物系统之间严重的机械不匹配可能会限制细胞或组织的固有运动，因此，亟需发展一种超柔软传感器对自主运动细胞的生化反应和电生理活动进行实时监测。
发明内容
本发明的首要目的在于突破现有高模量柔性基底电极材料对于培养动态细胞的限制，提供一种基于聚(3，4-乙烯二氧噻吩)PEDOT超柔软自支撑纳米网电极。
本发明的另一目的在于提供上述超柔软自支撑纳米网电极的制备方法，该方法简便、可控、易于制作。
本发明的再一目的在于提供上述超柔软自支撑纳米网电极的应用，实现自支撑传感器在动态脉冲细胞信号分子和电生理活动监测方面的突破。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极，包括含镂空结构的弹性薄膜基底、导电层、金属外接电极引线、绝缘胶以及细胞培养池；其中，PEDOT纳米纤维均匀、正交地排列在弹性薄膜基底表面上形成网络状的导电层，导电层与金属外接电极引线连接，且在导电层与金属外接电极引线连接点周围涂覆绝缘胶用于固定和绝缘，镂空结构周围涂覆绝缘胶筑成细胞培养池。
优选的，所述的PEDOT纳米纤维的直径为200～300nm。
优选的，所述的弹性基底选用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料，弹性薄膜基底的厚度为500～600μm。
优选的，所述的镂空结构为0.5～0.7cm×0.5～0.7cm的正方形镂空窗口，其周围用绝缘胶筑成高度为2～3mm的细胞培养池。
优选的，所述的外接电极引线选用铝箔材料，外接电极引线的宽度为0.5cm、长度为3cm。
优选的，所述的绝缘胶选用与弹性基底相同的PDMS材料。
一种制备上述基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极的方法，包括如下步骤：
(1)在PDMS膜上镌刻出镂空窗口阵列并固定在电纺接收装置上，用注射器吸入PEDOT均相电纺混合液并固定于电纺装置的注射泵上，进行电纺；在电纺进行到一半时，将PDMS膜旋转90°再次固定，继续电纺，最终得到正交垂直的基于PEDOT超柔软自支撑纳米纤维结构。
(2)步骤(1)得到的电纺纳米纤维结构通过加热进行交联，冷却后先用二甲亚砜(DMSO)浸泡，再经无水乙醇洗净干燥，得到基于PEDOT超柔软自支撑纳米网。
(3)将步骤(2)得到的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网裁成含一个镂空窗口的小片电极，将小片电极的两端分别连接导线，在连接点周围涂覆液态绝缘胶，加热使其固化，镂空结构四周用绝缘胶涂覆成细胞培养池，即得到基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极。
步骤(1)中所述的PDMS膜优选通过包括如下步骤的方法制备：将预聚体和固化剂质量比为10:1的液态PDMS倒在洁净的硅片上，用匀胶机在300～400rpm的转速下旋涂3～6s甩成薄膜，加热使PDMS固化，并从硅片上剥离，得到PDMS膜。
步骤(1)中所述的PEDOT均相电纺混合液优选通过包括如下步骤的方法制备：将24mg聚氧化乙烯(PEO)加入到4mL浓度约为1.2％的PEDOT:PSS溶液中，搅拌6～9小时，加入40μL表面活性剂、12μL交联剂和600～800μL溶剂搅拌均匀，得到PEDOT均相电纺混合液。
步骤(1)中所述的电纺的条件优选为：电压14～15kV，注射器流速为0.5～0.6mL/h，注射器与接收装置之间的距离为15～20cm。
步骤(2)中，所述的加热进行交联的条件优选为130～140℃加热交联2～3小时，用二甲亚砜浸泡的时间优选的15～20分钟。
上述基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极在动态细胞信号监测方面的应用。
一种利用上述基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极监测细胞释放信号分子和电生理活动的方法，包括如下步骤：对基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极照射紫外进行消毒处理，将细胞接种到电极的细胞培养池中培养，进行细胞释放信号分子和电生理活动的实时监测。
本发明具有如下优点和效果：
本发明提供了一种简便、可控的制备超柔软自支撑纳米网电极的方法，采用均相PEDOT分散液，通过静电纺丝技术，在镂空的聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性薄膜上制备了具有自支撑特性的超柔软PEDOT导电纳米网电极，拓展了纳米材料在柔性电子技术方面的应用。与常规柔性可拉伸电极相比，本发明的电极除具有自支撑性能外，还具有优异的导电性、电化学性能和良好的细胞相容性，首次实现在细胞带动电极形变的情况下，同时对细胞释放信号分子和细胞电生理活动的实时动态监测，突破了现有高模量柔性基底材料对于培养动态细胞的限制。本发明可为动态细胞和软组织的自然运动提供更广阔的化学和电子信息获取途径。
附图说明
图1是基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极的结构图；其中：1-PEDOT纳米纤维，2-PDMS弹性基底，3-电极引线，4-PDMS绝缘层，5-细胞培养池。
图2是基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极的扫描电镜图(A)及元素表征图(B)。
图3是基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极的制备流程及细胞培养。
图4是基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极在铁氰化钾溶液中的电化学行为图。
图5是心肌细胞培养在基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极上的微观图；图5(A)为心肌细胞的扫描电镜图，图5(B)为心肌细胞的荧光显微镜图。
图6是在药物刺激条件下基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极对心肌细胞释放NO的实时监测结果图。
图7是基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极对心肌细胞电生理活动的实时监测结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细的阐述。
实施例1
基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极制备过程如图3所示，具体步骤如下：
(1)将3g预聚体和固化剂质量比为10:1的液态PDMS倒在直径为7.5cm的洁净硅片上，于匀胶机上以400rmp转速旋涂3秒，80℃下加热2小时使PDMS固化，并从硅片上剥离，得到厚度约为500μm的PDMS膜。
(2)将步骤(1)得到的PDMS膜镌刻出0.5×0.5cm2的镂空窗口阵列并固定在电纺接收装置上，连接负极导线，以备后续使用。
(3)称取24mg聚氧化乙烯(PEO)加入到洗净的15mL玻璃试剂瓶中，用移液枪量取4mL浓度为1.2％的商业化PEDOT:PSS溶液，将PEO固体颗粒搅拌均匀，然后置于搅拌器上搅拌过夜，第二天加入40μL表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、12μL交联剂3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(GOPS)和800μL溶剂四氢呋喃(THF)搅拌均匀即可。
(4)将步骤(3)得到的均相PEDOT电纺液用注射器吸入并固定于电纺装置的注射泵上，针头连接正极导线。检查装置，打开电源，调节各项参数，电压约为14.6kV，注射泵的流速为0.5mL/h，针头与注射器之间的距离约为15cm。电纺时处在一个密闭的环境中，调节腔室的温度为40℃，湿度为30％，待电纺进行到一半时，将PDMS膜旋转90°再次固定，继续电纺，最终得到正交垂直的基于PEDOT超柔软自支撑纳米纤维结构。
(5)将步骤(4)得到的电纺纳米纤维结构置于加热台上140℃加热交联3小时，冷却后用二甲亚砜(DMSO)浸泡15分钟，经无水乙醇洗净干燥，最终得到基于PEDOT超柔软自支撑纳米网。
(6)将步骤(5)得到的基于PEDOT纳米网用刀片裁成1.5×1.5cm2面积大小的小片电极，将小片电极的两端分别连接导线，在连接点周围涂覆液态PDMS，加热使其固化，用PDMS沿镂空窗口四周筑成高度为2mm的储液池，最终筑成大小为0.5cm×0.5cm×0.2cm的细胞培养池，即得到可进行电化学检测的超柔软自支撑纳米网电极。
上述基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极，其结构示意图如图1所示，包括PEDOT纳米纤维导电层1、PDMS弹性基底2、外接电极引线3、绝缘胶4及细胞培养池5；其中，电纺的PEDOT纳米纤维均匀、正交地排列在基底表面上形成网络状的导电层，导电层与金属外接电极引线连接，且在导电层与金属外接电极引线连接点周围涂覆绝缘胶用于固定和绝缘，镂空窗口四周涂覆绝缘胶形成细胞培养池。对上述基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极的微观结构进行分析，纤维状的PEDOT纳米材料有序、均匀的排列在PDMS弹性基底表面如图2所示。有序、均匀的PEDOT纳米纤维之间正交垂直，形成连续、均匀的高导电网络，当所培养的心肌细胞跳动时，由于纳米纤维之前的网络连接结构，PEDOT纳米网会随着细胞的跳动以适应形变，从而具有较稳定的抗机械拉伸能力和导电性能。
本发明制备的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极进行电化学表征，选用10mmol/L铁氰化钾溶液为电化学探针，扫速为0.05V/s，从电极表面的循环伏安图(图4)可以看出，电极在+0.16V和+0.28V处具有对称的氧化还原峰，表明该电极具有良好的电化学性能，且电子在电极表面传递速率快。
实施例2
(1)将实施例1中制备得到的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网小片电极置于无菌操作台上进行紫外灯照射消毒10小时，用培养基冲洗电极3次后，将密度为5×103个/mL的大鼠原代心肌细胞(培养基为高糖DMEM培养基)接种到电极的细胞培养池表面进行培养(电极置于培养皿中)。细胞培养在小片电极表面24小时后的扫描电镜图如图5(A)所示，细胞粘附在PEDOT纳米网络表面，且具有较多伪足在电极表面铺展；细胞培养在小片电极表面24小时后的活死染色荧光表征结果如图5(B)所示，进一步表明了该电极具有的良好生物相容性。
(2)细胞在步骤(1)中的电极表面培养24小时后，将电极导线与电化学工作站相连接，加入刺激液，对细胞释放的信号分子进行实时监测，实验采用三电极系统，计时电流法进行检测。如图6所示，心肌细胞受到刺激液2μmol/L去甲肾上腺素(NE)刺激时，释放的信号分子一氧化氮(NO)在电极表面被氧化，安培电流随之增大，然后随着细胞释放NO量减少及其在电极表面的氧化，电流随之缓缓下降。对照组实验如下：当电极表面培养细胞，用2μmol/L NE和1mmol/L总一氧化氮合酶抑制剂L-NAME刺激细胞时，无明显电流增大现象；当用NE刺激没有培养细胞电极时，也无电流曲线上升现象。
实施例3
(1)将实施例1中制备得到的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网小片电极置于无菌操作台上进行紫外灯照射消毒10小时，用培养基冲洗电极3次后，将密度为5×103个/mL的大鼠原代心肌细胞接种到电极的细胞培养池表面进行培养。
(2)细胞在步骤(1)中的电极表面培养24小时后，进行细胞电生理活动的实时监测。如图7所示，心肌细胞在自然条件下培养在自支撑电极表面表现出规律的跳动行为，并被电极记录明显的电生理信号(图7(i))。对照组实验如下，当细胞培养在无镂空结构的PDMS基底电极表面时，检测到的电生理信号急剧下降，细胞表现出不明显的跳动行为(图7(ii))。
上述实施例表明本发明方法制备的超柔软自支撑纳米网传感器具有很好的传感性能，可在不影响细胞自然运动的情况下对动态脉冲细胞进行实时动态监测。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极，其特征在于：包括含镂空结构的弹性薄膜基底、导电层、金属外接电极引线、绝缘胶及细胞培养池；其中，PEDOT纳米纤维均匀、正交地排列在基底表面上形成网络状的导电层，导电层与金属外接电极引线连接，且在导电层与金属外接引线连接点周围涂覆绝缘胶用于固定和绝缘，镂空结构周围涂覆绝缘胶筑成细胞培养池。
2.根据权利要求1所述的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极，其特征在于：所述的弹性薄膜基底和绝缘胶选用PDMS材料。
3.根据权利要求1所述的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极，其特征在于：所述的外接电极引线选用铝箔材料。
4.根据权利要求1所述的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极，其特征在于：所述的弹性薄膜基底的厚度为500～600μm；所述的PEDOT纳米纤维的直径为200～300nm；所述的镂空结构为0.5～0.7cm×0.5～0.7cm的正方形镂空窗口，其周围用绝缘胶筑成高度为2～3mm的细胞培养池。
5.权利要求1～4任一项所述的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在PDMS膜上镌刻出镂空窗口阵列并固定在电纺接收装置上，用注射器吸入PEDOT均相电纺混合液并固定于电纺装置的注射泵上，进行电纺；在电纺进行到一半时，将PDMS膜旋转90°再次固定，继续电纺，最终得到正交垂直的基于PEDOT超柔软自支撑纳米纤维结构；
(2)步骤(1)得到的电纺纳米纤维结构通过加热进行交联，冷却后先用(DMSO浸泡，再经无水乙醇洗净干燥，得到基于PEDOT超柔软自支撑纳米网；
(3)将步骤(2)得到的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网裁成含一个镂空窗口的小片电极，将小片电极的两端分别连接导线，在连接点周围涂覆液态绝缘胶，加热使其固化，镂空结构四周用绝缘胶涂覆成细胞培养池，得到基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极。
6.根据权利要求5所述的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的PEDOT均相电纺混合液通过包括如下步骤的方法制备：将24mg聚氧化乙烯加入到4mL浓度约为1.2％的PEDOT:PSS溶液中，搅拌6～9小时，加入40μL表面活性剂、12μL交联剂和600～800μL溶剂搅拌均匀，得到PEDOT均相电纺混合液。
7.根据权利要求5所述的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的电纺的条件为：电压14～15kV，注射器流速为0.5～0.6mL/h，注射器与接收装置之间的距离为15～20cm。
8.根据权利要求5所述的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的加热进行交联的条件为130～140℃加热交联2～3小时，用二甲亚砜浸泡的时间的15～20分钟。
9.权利要求1～4任一项所述的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极在动态细胞信号监测中的应用。
10.一种利用权利要求1～4任一项所述的基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极监测细胞释放信号分子和电生理活动的方法，其特征在于，包括如下步骤：对基于PEDOT超柔软自支撑纳米网电极照射紫外进行消毒处理，将细胞接种到电极的细胞培养池中培养，进行细胞释放信号分子和电生理活动的实时监测。
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