導電聚合物以其優異的力學和電學性能，可以作為傳感器或是電響應器廣泛應用於生物醫學領域。但它們在傳感器或者微芯片表面微弱的附著力，以及潮溼環境下急劇下降的黏附力，阻礙了它們的應用。傳統制備導電聚合物的工藝已經相當成熟，如果選擇合成其他新型黏附導電聚合物勢必會浪費前期的研究歷程以及巨大的資金投入，且無法保障成功。而其他方法則僅限於特定的材料，造成大量資源的浪費。麻省理工學院的團隊開發的新方法，可以確保與現有的生產方法兼容，並適用於各種各樣的材料。如今，麻省理工學院趙選賀教授的研究團隊提出一種可以讓導電聚合物凝膠附著在潮溼表面的方法。在不改變原有的導電聚合物的情況下，僅加入一層粘接層，便可牢牢貼附在多種基板上，且在潮溼條件下保障黏附力。該文章以Strong adhesion of wet conducting polymers on diverse substrates為題發表在《Science Advance》雜誌上。
他們的方法主要研究導電聚合物水凝膠和襯底材料之間極薄的粘接層。雖然只有幾納米厚，但這一層可以有效地使導電聚合物凝膠附著在各種常用的襯底材料上，包括玻璃、聚酰亞胺、氧化銦錫和金。粘接層滲透到聚合物之中，產生一種堅固耐用的保護結構，即使在長時間暴露在潮溼的環境中也能保持材料的粘接能力。該粘接層可以通過各種成熟的製造工藝應用到設備上，易於與現有的製造平臺集成製備。研究人員在測試中使用的塗層是由聚氨酯製成的親水性聚合物，容易製備且價格低廉。這種方法的工藝也十分簡單（如圖1A所示）：
首先在光滑的基板上修飾上氨基，這樣基板與粘合層可以通過共價鍵或者電荷相互作用產生緊密連接。再將粘合層（親水性聚氨酯）通過旋塗、噴塗或者浸塗的方法塗覆在基板上。然後將導電聚合物的前驅體通過溶液澆鑄（PEDOT:PSS, PPy,和PAni）或者電沉積（EDOT:PSS）的方法塗覆在粘接層上。由於粘接層的親水性，導電聚合物前驅體在溶脹後會擴散至粘接層中，最後形成導電聚合物和粘接層的互穿網絡。因此，在潮溼的環境中，粘接層分別與基板和電聚合物之間的相互滲透，提供了抵抗界面破壞的機械粘附(圖1B)。
圖1. 溼潤導電聚合物在各種基體材料上的附著原理。(A)溼潤導電聚合物與親水聚合物膠粘層在胺基化基板上的強附著力。(B)在潮溼環境中，導電聚合物與粘附層在基體材料上具有強附著力。(C)溶劑澆築的溼式PEDOT:PSS (10 μm厚)導電聚合物通過PU粘合層(60 nm厚)粘合在聚酰亞胺基體材料上，可以承受包括扭轉、彎曲甚至摺疊(曲率半徑~ 250 m)在內的機械變形，且不會產生界面失效。(D)在潮溼環境中，導電聚合物在沒有粘附層的基材上的粘附力弱且不穩定。(E)聚酰亞胺襯底上溶劑澆鑄的溼式PEDOT: PSS (10 μm厚)，在沒有粘結層的情況下，由於襯底的機械變形而導致界面失效。 (F)在PEDOT:PSS (5 μm厚)導電聚合物和一個PU塗層硅基板(1500 nm PU厚度)之間的PU粘合界面中碳原子和硫原子的分佈。
作者解釋說，當這些材料形成互相滲透的網絡時，它們會變得非常堅固。實驗證明，這種粘接可以抵抗彎曲，扭曲，摺疊（如圖1C）。
圖2.溼導電聚合物在各種基板上的強粘合力。（A）剪切測試裝置。（B）在PEDOT：PSS剪切試驗中，未經過氨基化處理的玻璃基板與PU粘接層直接脫粘。（C）在PEDOT：PSS剪切試驗中，氨基化修飾的玻璃基板通過PU連接後發生粘著破壞。（D）是否氨基化修飾的玻璃基板和PU粘接層剪切測試對比。（E）原始玻璃和氨基修飾的玻璃基板上，通過PU粘接層粘接各種溼導電聚合物（PEDOT：PSS，PPy和PAni）的剪切強度對比。（F）具有PU粘接層的溼式PEDOT：PSS在各種氨基修飾的基板上剪切力對比。
通過具體的實驗研究發現（圖2），氨基修飾的基板上，含有PU粘接層的導電聚合物水凝膠均具有高剪切強度（大於120 kPa）。並且，在剪切試驗過程中發現，氨基修飾的基板上，含有PU粘接層的導電聚合物水凝膠發生了內部的粘著破壞。進一步表示，這種互穿網絡對於粘接性能的提高。這種方法具有高度的普適性，適用於多種導電聚合物材料以及多種基底材料。
除了粘接強度和普適性外，這種粘接層對於原始導電聚合物和基板的導電性能影響也十分重要（圖3）。由於導電聚合物貫穿整個粘合層，並直接與基板接觸，維持了導電性。
圖3. PU粘接層厚度對粘接界面電學性能的影響。（A）電導率測量的示意圖。（B）具有不同厚度PU粘接層的溼PEDOT：PSS的電導率。（C）薄層電阻測量示意圖。（D）不含有PU粘接層以及具有不同厚度PU粘接層的溼式PEDOT：PSS在ITO玻璃電極上的電導率變化。（E）在具有PU粘接層的ITO玻璃上製備的溼PEDOT：PSS的EIS示意圖。（F）ITO玻璃電極和帶有不同厚度PU粘接層的PEDOT：PSS在氨基化ITO玻璃電極上的EIS曲線，
在實際應用中，粘接層的黏附力隨著環境變化的穩定性及耐久性十分重要。通過超聲測試、循環伏安法測試發現，在使用過程中，粘接層的粘附力以及電學性能都具有良好的穩定性（圖4）。
圖4.溶劑澆鑄的溼導電聚合物的粘合穩定性。（A）在沒有PU粘合劑的情況下在ITO玻璃基板上澆鑄的溼式PEDOT：PSS超聲處理1分鐘前後粘接性能。（B）具有PU粘接層氨基化修飾的ITO玻璃上的溶劑澆鑄溼式PEDOT：PSS超聲處理10分鐘前後粘接性能。（C）具有PU粘接層氨基化修飾的ITO玻璃上溶劑澆鑄的溼式PEDOT：PSS在超聲處理10分鐘前後的EIS曲線。（D）具有PU粘接層氨基化修飾的Pt電極上溶劑澆鑄PEDOT：PSS的CV曲線。（E）具有PU粘接層氨基化修飾的Pt電極上溶劑澆鑄PEDOT：PSS上測得的CSC與CV循環數。
並且作者進一步測試了該粘接層對於導電聚合物與實際生物電子設備的粘接能力（圖5）。
圖5.溼導電聚合物在各種生物電子設備上的強粘附力。（A）溼導電聚合物在平面生物電子設備上具有很強的附著力。（B）溼導電聚合物在具有尖端微電極的生物電子設備上具有的強粘附力。（C）電沉積溼式PEDOT：PSS在是否具有PU粘接層的的氨基化金電極上，超聲前後的EIS曲線對比。（D）電沉積的溼PEDOT：PSS在沒有PU粘接層的MEA電極上超聲5分鐘前後的的光學顯微鏡圖像。（E）電沉積的溼PEDOT：PSS在具有PU粘接層的MEA電極上超聲60分鐘前後的的光學顯微鏡圖像。（F）電沉積溼式PEDOT：PSS在具有PU粘接層的是否氨基化金電極上，超聲前後的EIS曲線對比。（G）電沉積的溼PEDOT：PSS在沒有PU粘接層的Pt微絲電極上超聲處理5分鐘前後的SEM圖像。（H）電沉積的溼PEDOT：PSS在具有PU粘接層的Pt微絲電極上超聲處理30分鐘前後的SEM圖像。
可以看出，具有PU粘接層的導電聚合物在不同的電子設備上均具有較好的黏附力。並且保持一定的超聲穩定性。
這項工作開創了導電聚合物在溼潤環境下黏附的新方法，攻克了導電聚合物在生物醫學領域應用的難題。但是作者認為，生物醫學設備行業接受這樣一種新材料將需要更長的時間，更嚴格的測試來確認這些塗層在現實條件下依然具有長效穩定性。作者說：“我們很樂意授權使用這項技術，並在現實情況下對其進行進一步測試。”他表示，該團隊已開始與製造商討論。這項研究得到了國家科學基金會、JSR公司和三星公司的支持。斯坦福大學化學工程學院院長、美國國家工程院院士鮑哲南教授在接受MIT新聞採訪時對該工作評價說：“這是一項十分偉大的工作！溼式粘接劑目前存在巨大的挑戰。在潮溼環境下性能良好的粘接層更是罕見。但它們對於記錄來自心臟或大腦的電信號是非常必要的。這項工作是生物電子學領域的一個重大進步。”
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