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研究背景

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

成果簡介

基于此，蘭州理工大學冉奮教授等人提出了通過肝素摻雜導電聚合物（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鍵問題。該研究以“An anticoagulant supercapacitor for implantable applications”為題，發表在《Nature Communications》期刊上。

值得注意的是，這是蘭州理工大學校史第一篇Nature Commun.。

研究亮點

1. 創新性抗凝血策略：通過將抗凝血大分子肝素摻雜于導電聚合物PEDOT中，制備了一種具有高導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. 一體化結構設計：提出了基于細菌纖維素電解質層的“一體化”超級電容器設計，直接在電解質層兩側構建電極材料，消除了界面效應，提升了離子和電子傳輸效率，從而大幅提高了設備的電化學性能和長期穩定性。

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

圖文導讀

圖1 傳統植入式電子設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

圖1展示了傳統植入式電子設備與抗凝血超級電容器在與血液接觸后引發的不同臨床反應機制。傳統植入設備因缺乏表面抗血栓保護機制，在植入人體后會觸發一系列不良反應，包括血小板激活、蛋白質吸附、炎癥反應以及血栓形成。這些反應導致血液成分在設備表面沉積，形成血栓，不僅顯著降低電子設備的電化學性能，還可能引發肺栓塞或腦梗塞等全身性并發癥。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合，有效抑制血液凝血酶的活性，延緩或阻止凝血級聯反應。

圖 2 抗凝血超級電容器的制備及數碼照片

圖2展示了抗凝血超級電容器的制備過程及其獨特的結構特性。首先，通過化學氧化聚合法，將導電聚合物EDOT與肝素分子反應，形成PEDOT復合材料作為電極，并與細菌纖維素（BC）電解質層結合，完成抗凝血超級電容器的“一體化”結構構建。圖中詳細說明了聚合反應的關鍵步驟，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，同時展示了該設備的柔韌性和穩定性，在植入設備領域具有實際應用潛力。

圖3 ?PEDOT復合材料的結構與性能表征

圖3展示了PEDOT復合材料的分子結構、形貌特征及物理化學性能。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

具有優異的熱穩定性，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，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由致密結構變為多孔形態，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的電化學性能及血液相容性

圖4展示了PEDOT電極材料的電化學性能和抗凝血特性的表征結果。在導電性測試中，PEDOT的導電率顯著提升，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。通過循環伏安（CV）和恒流充放電（GCD）曲線測試，PEDOT電極材料表現出優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，電化學性能呈現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相比展現出顯著的抗血小板粘附能力。

圖5 抗凝血超級電容器的結構與血液相容性分析

圖5展示了抗凝血超級電容器的結構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-電解質一體化結構，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）電解質層的兩側，形成了連續的導電界面。這種一體化設計消除了傳統層疊式電容器的界面效應，大幅提升了離子傳輸效率和設備穩定性。在生物相容性測試中，L929細胞在提取液中表現出正常的形態和增殖能力，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，設備的溶血率遠低于5%的ASTM標準，滿足植入式設備的臨床要求。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，設備表面血小板數量隨著聚合時間延長而顯著減少，展現了卓越的抗血小板粘附能力。

結論展望

本研究開發了一種基于肝素摻雜導電聚合物（PEDOT）的抗凝血超級電容器，成功實現了植入式電子設備在體內環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電性，還賦予了設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，為解決傳統植入設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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