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研究背景

傳統(tǒng)超級電容器在植入人體后不可避免地與血液直接接觸，容易引發(fā)血小板激活、凝血和炎癥等反應(yīng)，從而導(dǎo)致血栓形成和設(shè)備性能下降，甚至威脅患者生命。因此，開發(fā)具有抗凝血性能的植入式超級電容器對于提升設(shè)備的生物相容性和臨床安全性至關(guān)重要。

成果簡介

基于此，蘭州理工大學(xué)冉奮教授等人提出了通過肝素摻雜導(dǎo)電聚合物（PEDOT）制備抗凝血超級電容器的策略，成功解決了植入式能量儲存裝置缺乏抗凝血保護機制的關(guān)鍵問題。該研究以“An anticoagulant supercapacitor for implantable applications”為題，發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。

值得注意的是，這是蘭州理工大學(xué)校史第一篇Nature Commun.。

研究亮點

1. 創(chuàng)新性抗凝血策略：通過將抗凝血大分子肝素摻雜于導(dǎo)電聚合物PEDOT中，制備了一種具有高導(dǎo)電性和抗凝血性能的電極材料，顯著改善了植入式超級電容器的生物相容性和血液安全性。

2. 一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計：提出了基于細菌纖維素電解質(zhì)層的“一體化”超級電容器設(shè)計，直接在電解質(zhì)層兩側(cè)構(gòu)建電極材料，消除了界面效應(yīng)，提升了離子和電子傳輸效率，從而大幅提高了設(shè)備的電化學(xué)性能和長期穩(wěn)定性。

3. 優(yōu)異的電化學(xué)性能：該超級電容器不僅具備高電導(dǎo)率（3.27 S·m?1）和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（20,000次循環(huán)后電容保持率達76.24%），還展現(xiàn)了延長凝血時間和抑制血小板粘附的卓越抗凝血性能。

圖文導(dǎo)讀

圖1 傳統(tǒng)植入式電子設(shè)備與抗凝血植入式超級電容器接觸血液后血液成分的不同臨床反應(yīng)

圖1展示了傳統(tǒng)植入式電子設(shè)備與抗凝血超級電容器在與血液接觸后引發(fā)的不同臨床反應(yīng)機制。傳統(tǒng)植入設(shè)備因缺乏表面抗血栓保護機制，在植入人體后會觸發(fā)一系列不良反應(yīng)，包括血小板激活、蛋白質(zhì)吸附、炎癥反應(yīng)以及血栓形成。這些反應(yīng)導(dǎo)致血液成分在設(shè)備表面沉積，形成血栓，不僅顯著降低電子設(shè)備的電化學(xué)性能，還可能引發(fā)肺栓塞或腦梗塞等全身性并發(fā)癥。而本文中的抗凝血超級電容器通過在PEDOT中摻雜肝素分子，將其強大的抗凝血特性引入電極材料。肝素的多磺酸基團可與抗凝血酶特征位點結(jié)合，有效抑制血液凝血酶的活性，延緩或阻止凝血級聯(lián)反應(yīng)。

圖 2 抗凝血超級電容器的制備及數(shù)碼照片

圖2展示了抗凝血超級電容器的制備過程及其獨特的結(jié)構(gòu)特性。首先，通過化學(xué)氧化聚合法，將導(dǎo)電聚合物EDOT與肝素分子反應(yīng)，形成PEDOT復(fù)合材料作為電極，并與細菌纖維素（BC）電解質(zhì)層結(jié)合，完成抗凝血超級電容器的“一體化”結(jié)構(gòu)構(gòu)建。圖中詳細說明了聚合反應(yīng)的關(guān)鍵步驟，包括EDOT單體的氧化、陽離子自由基的生成、二聚體的形成及最終摻雜肝素的PEDOT的制備。此外，圖中還展示了超級電容器的物理特性，包括電容器整體厚度僅為0.176 mm，同時展示了該設(shè)備的柔韌性和穩(wěn)定性，在植入設(shè)備領(lǐng)域具有實際應(yīng)用潛力。

圖3 ?PEDOT復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能表征

圖3展示了PEDOT復(fù)合材料的分子結(jié)構(gòu)、形貌特征及物理化學(xué)性能。通過FTIR光譜分析，確認了PEDOT中含有C-O-S、S=O和C-O-C等關(guān)鍵官能團，這些功能基團的存在表明肝素成功摻雜于PEDOT中。同時，TGA熱重分析表明PEDOT

具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，其分解溫度從354°C提升至365°C，進一步驗證了肝素的摻雜效果。通過XPS高分辨光譜分析，檢測到S和O元素的顯著增強，特別是-SOx和S=O特征峰的出現(xiàn)，證明了肝素的成功引入。SEM影像清晰展示了PEDOT形貌相較于未摻雜的PEDOT由致密結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嗫仔螒B(tài)，這種多孔特性由TEM和BET測試進一步確認，PEDOT的分散性和比表面積較純PEDOT顯著提高。

圖4 ?PEDOT的電化學(xué)性能及血液相容性

圖4展示了PEDOT電極材料的電化學(xué)性能和抗凝血特性的表征結(jié)果。在導(dǎo)電性測試中，PEDOT的導(dǎo)電率顯著提升，最高達到3.27 S·m?1，遠超未摻雜肝素的PEDOT（0.50 S·m?1），說明肝素的引入有效改善了材料的電荷傳輸能力。通過循環(huán)伏安（CV）和恒流充放電（GCD）曲線測試，PEDOT電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的可逆充放電性能和較大的比電容。

此外，隨著肝素摻雜量的增加，電化學(xué)性能呈現(xiàn)先增強后下降的趨勢。在抗凝血性能測試中，PEDOT顯著延長了凝血時間（APTT、PT、TT等）并降低纖維蛋白原含量（Fib），證實了其優(yōu)異的抗凝血效果。同時，血小板粘附實驗顯示，PEDOT表面血小板粘附量顯著減少，與未摻雜肝素的PEDOT相比展現(xiàn)出顯著的抗血小板粘附能力。

圖5 抗凝血超級電容器的結(jié)構(gòu)與血液相容性分析

圖5展示了抗凝血超級電容器的結(jié)構(gòu)特點及其在生物和血液相容性方面的性能。通過SEM分析，超級電容器的截面具有清晰的電極-電解質(zhì)一體化結(jié)構(gòu)，C、O和S元素的分布證實PEDOT電極材料成功沉積在細菌纖維素（BC）電解質(zhì)層的兩側(cè)，形成了連續(xù)的導(dǎo)電界面。這種一體化設(shè)計消除了傳統(tǒng)層疊式電容器的界面效應(yīng)，大幅提升了離子傳輸效率和設(shè)備穩(wěn)定性。在生物相容性測試中，L929細胞在提取液中表現(xiàn)出正常的形態(tài)和增殖能力，表明超級電容器對細胞無毒害作用。

此外，血液相容性測試顯示，設(shè)備的溶血率遠低于5%的ASTM標準，滿足植入式設(shè)備的臨床要求。在抗凝血性能測試中，超級電容器顯著延長了凝血時間（APTT、PT、TT）并減少了纖維蛋白原含量，尤其是在36小時聚合時間下，其APTT達到63.4秒，證明肝素摻雜材料對內(nèi)源性凝血途徑的抑制效果最為顯著。血小板粘附測試進一步顯示，設(shè)備表面血小板數(shù)量隨著聚合時間延長而顯著減少，展現(xiàn)了卓越的抗血小板粘附能力。

結(jié)論展望

本研究開發(fā)了一種基于肝素摻雜導(dǎo)電聚合物（PEDOT）的抗凝血超級電容器，成功實現(xiàn)了植入式電子設(shè)備在體內(nèi)環(huán)境中的高效能量儲存與血液相容性平衡。肝素的引入不僅顯著提升了電極材料的導(dǎo)電性，還賦予了設(shè)備卓越的抗凝血性能，有效延長凝血時間并抑制血小板粘附，為解決傳統(tǒng)植入設(shè)備血栓形成的問題提供了新方案。

文獻信息

An anticoagulant supercapacitor for implantable applications. Nature Communications,

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