生物电极是生物组织与电子设备之间进行信号转导的接口，用于脑-机接口与生物传感等领域。然而，生物电极在复杂生理环境下同步实现高电学性能和高稳定性仍然是一个重大挑战：传统的可极化电极（如金电极和碳电极）提供了优异的电导率、化学稳定性和耐用性，但由于高阻抗和高截止频率，它们在电生理信号捕获中表现较差；非可极化电极通过引入氧化还原反应，具有低阻抗的优势，但其化学和电稳定性较差。例如，导电高分子电极在复杂生理环境下仍容易发生去掺杂或部分降解现象，严重限制了其在需要长期植入以及需要双-向脑机交互的应用场景中的使用，特别是对于组织免疫反应产生的H2O2、生理环境的pH变化以及神经调制时的电刺激。
图1 导电高分子电极（CP）、还原氧化石墨烯电极（rGO）、多孔石墨烯纳米筛电极（HG）与复合电极（CP/HG）的对比。CP电极阻抗低，但稳定性差。rGO电极稳定性高，但离子和分子扩散阻抗高（或密实度低）。HG电极离子扩散阻抗低，但分子扩散阻抗高且电子电导率低。CP/HG电极可以兼顾低阻抗、高电子电导、高稳定性和高密实度。
据麦姆斯咨询介绍，针对以上问题，南京理工大学傅佳骏/姚博文团队提出电荷转移路径解耦策略，向导电高分子（CP）网络中引入多孔石墨烯纳米筛（HG），脱耦电子传输与电子-离子转导路径，在保证导电高分子电极电学性能的前提下，显著提升了电极耐极端环境的能力（图1）。该工作以“A General Strategy for Exceptionally Robust Conducting Polymer-Based Bioelectrodes with Multimodal Capabilities Through Decoupled Charge Transport Mechanisms”为题发表在Advanced Materials上(Adv. Mater. 2025, 2417827)。文章第一作者是南京理工大学博士研究生耿宇豪。
首先，文章对导电高分子电极在常见的生理和电学环境下的失效机制进行了详细研究，证明了导电高分子发生了去掺杂和部分降解，使得体系的导电渗流网路被破坏，被割裂成无法互相连接的“海岛”。随后，向体系中引入多孔石墨烯纳米筛HG，HG不仅能够恢复导电高分子的电子传输路径，并且其高孔隙率确保了高效的离子和生物分子扩散动力学，从而保证了电极的低阻抗、高电荷注入能力和生化传感性能。因此，复合电极在电生理信号捕获、神经调制和生化传感等应用中表现出卓越的综合性能（图2），显著优于还原氧化石墨烯电极、导电高分子电极、石墨烯表面修饰的导电高分子电极以及普通还原石墨烯-导电高分子复合电极。
图2 CP/HG复合电极在双向离子-电子转导中的应用。（a-c）复合电极作为传感电极，实现肌电信号传感，用于手势识别。（d）CP/HG和CP电极的稳定性。CP电极在负电位下会发生去掺杂，导电性显著降低，无法实现析氢。（e-l）复合电极作为高稳定的刺激电极，实现植物（e）、心脏（f-h）以及心肌细胞（i-l）的神经调制。相比而言，纯CP电极则无法在高电流密度下工作（h）。
文章所提出的策略以及复合电极的具体优势如下：
（1）优异的电子电导率、阻抗性能以及密实度：该电极具有高电导率（~2.1×105 S m−1）和低阻抗（~4310 Ω cm2，高透光率：~82.5%），优于先前报告的透明生物电极，包括金（Au）、还原氧化石墨烯（rGO）、氧化锌/二氧化锰（ZnO/MnO₂）、导电聚合物银纳米纤维（CP-AgNFs）、氧化铟锡（ITO）和PEDOT:PSS电极。
图3 CP/HG复合电极的显微镜照片以及其导电性与其它典型生物电极的对比。
（2）高电荷注入能力：CP/HG电极具有高电荷注入能力（0.2 mC cm−2），明显高于纯石墨烯（0.04 mC cm−2）和CP/rGO （0.13 mC cm−2）电极（图4）。在2.5 A cm−2交流电流密度的刺激下，经过104次循环后，复合电极的开路电位仍然稳定，优于纯CP电极。
图4 CP/HG微电极的显微镜照片以及其离子注入能力的表征。
（3）神经递质检测能力：由于高的分子透过性以及CP和HG的协同作用，复合电极对神经递质多巴胺具有优异的响应传感性能和选择性（线性相关性r = 0.9946，N = 3，检测限为41 nM）（图5）。除此之外，通过负载其他催化剂，有望实现对其他生物分子的传感。
图5 CP/HG微电极的照片以及对多巴胺（DA）的传感能力。CP/HG微电极可以高选择性、高灵敏度的实现对多巴胺的检测，而不受抗坏血酸（AA）与尿酸（UA）的干扰。
（4）超高的环境稳定性：由于HG的桥联作用，复合电极展现了更宽的电压窗口。CP/HG电极的电压窗口为–2.5 V 至 1.8 V，而纯导电聚合物（CP）电极在−0.5 V时会去掺杂，1.5 V附近则会发生不可逆的过氧化反应（图6a, 6b）。与此同时，复合电极对外界化学环境具有更高的抵抗力，包括常用于杀菌的KMnO4溶液、高温灭菌环境、用于模拟炎症反应的H2O2溶液、用于模拟长期植入的磷酸盐缓冲液（60度）以及酸碱环境等。在进行以上化学处理后，复合电极依然可以保持较高的电子电导率、低阻抗、高电荷注入能力以及多巴胺检测能力，而纯CP电极的性能则发生显著的衰减（图6c-f）。
图6 （a, b）CP/HG和CP电极的电压窗口对比。（c）高电流密度下，CP/HG以及CP电极的电位稳定性。（d）CP, CP/HG以及HG电极在经过多巴胺、抗坏血酸、谷胱甘肽、高锰酸钾以及双氧水溶液处理前后电阻的变化。（e）CP和CP/HG电极在经过反应性老化实验后（模拟组织炎症反应）的电化学阻抗变化。（f）CP/HG电极与其他典型电极的性能对比。
（5）策略的普适性：通过实验证明论文提出的解耦策略能够应用于其他导电高分子电极以及可拉伸电极，包括聚氨酯-导电聚合物弹性体电极（PU-CP）、聚乙烯醇/导电聚合物水凝胶电极（PVA-CP）以及聚苯胺电极（PANi）等（图7）。
图7 电荷转移路径解耦策略的普适性。（a-f）聚氨酯（PU）-导电聚合物（CP）/多孔石墨烯（HG）弹性体电极的示意图与表征。PU-CP电极在宽电学窗口下具有不稳定性。PU-CP/HG电极兼顾良好的拉伸性、电学性能与电学稳定性（c-f）。（g, h）PVA-CP/HG水凝胶电极兼具良好的力学柔性和电学稳定性。（j）PANi/HG电极具有良好的电学稳定性。
