贾亚宏
（兰州城市学院 化学与环境科学学院 化学112 兰州 730070 ）
摘 要：导电聚合物因其制备容易、导电性高，具有稳定的化学、电化学特性及较好的生物相容性等特点，成为生物材料和组织工程研究领域所关注的焦点之一。本文从导电聚合物的概念、特点、机理、制备以及应用方面做了简单的介绍，并提出导电聚合物所面临的挑战及未来的发展趋势和方向。 关键字：聚苯胺；导电聚合物；合成方法；掺杂；导电机理；药物释放；生物效应器；组 织工程；生物传感器 导电聚合物又称为导电高分子或合成金属，按结构与组成可分为两大类，一类是复合型导电聚合物，另一类是结构型导电聚合物。复合型导电聚合物是以聚合物为母体、将各种导电性物质以不同的方式填充到聚合物基体中而构成的复合材料，其制备方法是填充高效导电粒子或导电纤维，最为常见的是炭黑填充型和金属填充型。结构型导电聚合物是指材料本身或
经过掺杂后具有导电功能的聚合物，这种高分子材料本身具有“固有”的导电性，由其结构提供导电载流子，一经掺杂后，电导率可大幅度提高，甚至可达到金属的导电水平。
1.导电聚合物的结构特点及导电机理
所谓导电聚合物是由一些具有共轭π键的聚合物经化学或电化学掺杂后形成的、导电率可从绝缘体延伸到导体范围的一类高分子材料。导电聚合物是完全不同于由金属或碳粉末与聚合物共混而制成的导电塑料，它除了具有聚合物结构外，还含有由掺杂引入的一价对阴离子（p﹣型掺杂）或对阳离子（n一型掺杂），所以通常导电聚合物的结构分为聚合物链和与链非键合的一价对阴离子或对阳离子两部分组成[1]。导电聚合物除了具有高分子本身特性之外，还兼具了因掺杂而带来的半导体或导体的特性。各种导电聚合物的导电机理不尽相同，下面仅以碘掺杂的聚乙炔的导电机理为例，对导电聚合物的导电机理进行分析。
众所周知，π电子云结构较松散，当聚乙炔暴露在碘蒸气中，易被碘氧化而失去电子成为正离子自由基（也称为极化子）。正离子自由基中的单个电子是不稳定的，很容易与相邻的双键中的一个电子形成新的双键，产生新的正离子自由基，而新的正离子自由基中的
单电子又会形成新的双键，产生新的正离子自由基，这样沿着链的方向依次传递下去，电子就在整个共轭链上流动起来。可见，正是碘的掺杂引发了电荷在整个共轭链上的传递。导电聚合物含有长的共轭π链，具有超快速的非线性光学响应。级转换研究表明聚苯胺具有较高的三阶光学响应系数，可作为三阶非线性材料用于信息存贮、调频、光开关和光计算机等方面[2]。
2.导电聚合物的制备
不同的导电聚合物需要不同的聚合方法，比如聚乙炔需要特殊的催化剂通过化学合成来制备[3]。但也有一些聚合方法可用于多种导电聚合物的合成，比如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和许多杂环类导电聚合物都可以通过单体氧化聚合或电化学氧化聚合的方法来制备[3]。
2.1聚苯胺的化学氧化合成
聚苯胺和聚吡咯等都可以通过使用氧化剂在溶液中使其单体氧化聚合，其中常用的氧化剂有三氯化铁，过硫酸胺等。聚苯胺可通过过硫酸铵在盐酸水溶液中氧化苯胺单体来制备，反应后得到的沉淀为盐酸掺杂的导电聚苯胺粉末。再经过以下处理：将PAN一HCl粉
末经氨水脱掺杂得到碱式聚苯胺粉末，然后溶于一甲基吡咯烷酮中制得碱式聚苯胺溶液，再将此溶液在玻璃板上浇铸成碱式聚苯胺薄膜，这种薄膜经酸液浸泡掺杂后就成为导电聚苯胺膜。
2.2导电聚毗咯的电化学合成
聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等多种导电聚合物都可以通过其单体的电化学聚合来制备，但不同的导电聚合物的电化学制备条件有所不同。电化学聚合是制备导电聚吡咯的主要方法，通过聚合条件的优化，可以得到柔韧、光滑、电导率达102 S/cm 的导电聚吡咯膜。吡咯电化学聚合的聚合电位是0.7V vs.SCE，因此有机电解液和水溶液都可以用作吡咯电化学聚合的电解液。有机电解液的优点是吡咯单体溶解度高，聚合时无溶剂副反应。常用的有机溶剂有乙睛、碳酸丙烯醋等，有机电解液中的支持电解质可用LiClO4、BuNBF4、TsOH（对甲苯磺酸）等。在有机电解液中溶剂的给电子性对聚合过程有重要影响，溶剂DN越低，制备出的导电聚吡咯膜力学强度和电导率越高。电化学聚合也是制备聚噻吩的常用方法。噻吩氧化聚合的电位较高，使用一乙醚电解液可使其聚合电位降低从而制备出高强度的导电聚噻吩膜[4]。
钢结构论坛3.导电聚合物的应用
3.1应用于药物释放系统
药物的可控释放可克服传统通过口服或注射药物引起的血药浓度波动大等缺点，因此，控制药物释放的最优化方法一直处于不断的探索中。目前，常见的药物载体通常选用生物相容性和安全性都较好的聚乳酸(PLA)、聚乳酸羟基乙酸共聚物(PLGA)、导电聚合物等。其中，导电聚合物包裹药物并通过电化学刺激进行可控释放，这种方法由于具备一些优异的特性而引起关注，如制备相对简单、药物释放可控，药物可随聚合物在不同的pH、温度、电荷条件下结构发生变化而释放，等等。迄今为止，经导电聚合物包裹并通过电化学刺激实现有控释放的药物包括性蛋白质，主要有神经营养因子，肝磷脂等[5-6]。导电聚合物包裹药物的方式及包裹药物的种类现都处于不断探索及试验阶段，早期的研究多是利用导电聚合物同有的氧化还原作用来包裹药物并实现药物的可控释放。近年来的研究是采用导电聚合物纳米管来控制药物释放，先采用生物可降解的高分子材料聚乳酸-羟基乙酸共臻物(PLGA)纳米纤维包裹药物，然后在包裹有药物的PLGA纳纤维的外层聚合生成PEDOT纳米管，随PLGA纳米纤维的生物降解。PLGA包裹的药物仍在PEDOT纳米管内，
最终PEDOT的电化学特性丧定了包裹的药物可有拄释放出来[7]。导电聚合物应用于药物释放系统的前景应该是广阔的。有望在肿瘤屣心脑血管痰病中起到重要的作用。但目前仍存在一些不利因素，如大多数导电聚舍物的术溶性较差，限制了其在药物释放系统中的应用。
3.2应用于生物效应器
导电聚合物从绝缘态转变成导电态，需要从其分子链中迁移出或导入电子，这种电子迁移的过程器为“掺杂”。导电聚合物的掺杂、去掺杂与聚和合物中的电子和离子的转移有关。伴随着离子的掺杂和去掺杂，对应的是导电聚台物的体积改变(膨胀或收缩)，离子掺杂过程会引起导电聚合物的体积增大，离于释放过程引起导电聚合物的体积缩小。生物效应器是指可产生机械动力的一些生物设备或装置。导电聚合物在电化学刺激下发生离子的掺杂、去掺杂及引起导电聚合物体积改变的特性，可以应用于生物效应器上，如用于构建人工肌肉。人工肌肉的构建原理是：3层复合材料，其中内外两层为导电聚合物材料，中间层为非导电材料，内外两层处于相反的离子转移状态，如内层处于离子的掺杂状态，外层则处于去掺杂状态。这样，内层的掺杂致使内层的导电聚合物体积增大，同时外层的去掺
杂使外层的体积缩小，内外两层产生的机械力量方向一致，其共同作用使整个3层复合材料向外层弯曲，模拟了生物系统中的肌肉收缩。导电聚合物构建的人工肌肉具有的特点是：可通过电子转移控制、驱动电压低、伸缩率大、伸缩率可控、对温度没有特别要求，可以在室温或人体生理温度下进行、易于合成、重量轻、可在溶液或体液中进行，等等，这些优异特性都决定了导电聚合物是构建人工肌肉较理想的材料。目前，聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、PPy -PANI复合材料以及这些导电聚合物与碳纳米管组成的复合材料，如PPy一碳纳米管复合材料、PANI一碳纳米管复合材料及PPy -PAN碳纳米管复合材料等都应用到了人工肌肉的构建中。在这些材料构建的人工肌肉中，PPy -PANI复合材料构建的人工肌肉每次循环产生的机械动能最大[7]。
3.3 应用于组织工程
导电聚合物应用于组织工程领域，是和导电聚合物具备良好的导电性、氧化还原性、三维立体结构及表面形貌等特性密不可分的，但更为关键的是其具备良好的生物相容性。将PC-12细胞培养在聚吡咯(PPy)薄膜上，长时间(达96h)电流(1 mA)刺激PPy，没有观察到明显的细胞毒性dietmp3[8]精神卫生法全文。最近的研究进一步表明，PPy和PEDOT不论是薄膜还是纳米管形貌，和
培养的神经细胞之间的生物相容性好。目前，导电聚合物应用于组织工程领域主要体现在神经工程领域。神经工程中的电极通常是由金、铂等金属材料或镀金、镀铂的硅基材料做成的，这些电极植入神经组织后，其传导神经电信号的功能将逐渐消退，甚至完全丧失。究其原因，是因为坚硬的金属材料和柔软的神经组织之间的机械模量的巨大差异，神经组织对植入金属材料的免疫反应产生大量的胶质疤痕，最终使植入电极周围有功能的神经细胞数量明显减少。采用导电聚合物包裹或修饰神经电极，对改善神经电极电信号的传导功能起到了重要作用。其作用的机理是：生物相容性较好的导电聚合物在坚硬的金属电极表面和柔软的神经组织之间建立了一个机械强度的缓冲区域，降低了神经组织的免疫反应，增加了电极的表面面积，降低了电荷传导的电阻，使神经电信号传导的信噪比大大增强[12]。另外，稳定的氧化还原特性可以使导电聚合物在修饰神经电极的同时，还能包裹药物或大分子物质，如地塞米松、细胞黏附分子、神经生长因子等。这些药物或大分子物质的释放，无疑能使导电聚合物包裹的电极不仅具有增强神经电信号的检测和传导功能，而且还具有抗免疫、促进神经生长和康复的功能阻[9]。已有的研究表明，应用于神经工程中的导电聚合物主要是PPy和PEDOT。
3.4 应用于生物传感器
生物传感器是由固定化的生物物质(如酶、蛋白质、抗原、抗体、生物膜等)作为敏感元件与适当的化学信号换能器组成的生物电化学分析系统。导电聚合物具有良好的导电性能，可作为分子导线，使电子在生物活性分子和电极问直接传递，是构成生物传感器一种较好的材料[10]。生物传感器领域中最常用的导电聚合物是聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩。目前，采用导电聚合物构建的生物传感器已广泛应用于很多领域，如医疗卫生中的医学诊断、环境监控及食品分析等方面。在医学诊断方面，基于导电聚合物制备的生物传感器可以检测血糖、尿素、乳酸及胆固醇等；固定有DNA分子的导电聚合物制备的DNA传感器，可检测一些遗传性疾病、病原菌感染，以及分子生物学实验中的cDNA克隆筛选等；导电聚合物制备的免疫传感器可以用来监测有机氯杀虫剂及除草剂，甚至包括一些细菌。已有相关的综述阐述了导电聚合物在生物传感器中的应用[11-12]。值得特别一提的是，导电聚合物因具备良好的生物相容性，因此特别适合在活体条件下进行生物传感，如将导电聚合物制备的生物传感器应用于活体生物体液内药物及机体代谢产物的连续检测。导电聚合物属于智能材料体系，不但可以作为智能器件材料应用于生物传感器，而且可广泛地应用于传感、驱动、显示及信息储存等方面。综上所述，导电聚合物在生物医学工程领域应用广泛，但不同导电聚合物性质上的差异又决定了它们的应用各有所侧重。
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4. 面临的挑战及发展趋势
随着对导电聚合物材料的深入研究，人们也越来越认识到，导电聚合物在生物医学工程领域中的应用所面临的挑战依然是如何进一步提高导电聚合物的电学和机械性能，如何更有效地控制生物活性分子的运动、浓度和形貌，如何将不能自然分解的导电聚合物应用于组织再生工程中，等等。这些问题的解决，都要依靠导电聚合物材料的表面功能化来实现。导电聚合物的表面功能化按修饰的性质分为物理修饰和化学修饰。物理修饰旧[]引是通过物理手段，如用聚苯乙烯小球模板制备微孔膜、在水凝胶中合成导电聚合物、将导电聚合物和生物分子进行混杂形成疏松结构等方法，增加导电聚合物表面的粗糙程度。化学修饰作为最常见的一种修饰方法，通常是将生物分子作为掺杂剂或偶联于导电聚合物表面而进行的。导电聚合物的表面功能化，不论是物理修饰还是化学修饰，其目的就是希望修饰后的导电聚合物导电性能增强、电阻降低，在机械模量差距较大的界面上建立机械缓冲区，在生理环境中具有更好的生物相容性和稳定性，等等[13-14]。因此，导电聚合物的表面功能化是使导电聚合物更深入地应用到生物医学工程领域的发展趋势之一。尽管已有的一些研究方法，如制备出可刻蚀的导电聚合物、将导电聚合物和可生物降解的材料(如聚酯、聚乙
二醇或它们的共聚物)偶联或混杂在一起、构建导电聚合物和生物降解材料的大分子框架结构等，初步实现了导电聚合物既可以控制整个大分子的导电性，又可以控制生物降解速率。但是，如何通过导电聚合物表面功能化将不能自然分解的导电聚合物深入应用于组织再生工程中，将是导电聚合物应用于生物医学工程领域的发展趋势之一。同时，导电聚合物表面功能化后，在不同的细胞周期(如在细胞增殖、分化等)过程中，对细胞信号转导通路的影响也是导电聚合物未来的研究方向和趋势之一。总之，导电聚合物及导电聚合物表面功能化的研究及应用，为制备出特异性强、稳定性高、生物相容性好、制备方便、经济适用的生物医学设备或装置提供了广阔的发展空间。
聚苯胺与其它导电高聚物相比，原料价格低廉，性质稳定，易于加工和成膜，且所成的膜柔软，弹性好，具有较高的储存电荷能力和较好的电化学性能。其可逆的电化学活性、较高的室温电导率、大的比表面积和稳定性好等特点，使之在二次电池上有重要的应用。聚苯胺的电致变效应，使之成为制作电致变器的很好材料，它将在军事伪装和节能涂料等方面得到广泛的应用。此外，聚苯胺在抗静电、电磁屏蔽、场效应晶体管、印刷术等领域也具有广泛的应用前景[15]。虽然，近几十年来，有关聚苯胺的基础研究和应用研究所取得了一些重要成果。但是由于聚苯胺作为一种特殊的导电高分子材料，其导电机理和掺
杂机制与其它导电高分子化合物不同，加之其分子结构较复杂，而且随制备的方法、反应条件及后处理条件等的不同，产物的结构和性能差别较大，给系统的理论和应用研究带来一定的困难。目前对聚苯胺的结构、性能的解释、掺杂机制和导电机制等仍有较大争议。随着研究工作的逐渐深化，对聚苯胺的性能也有更高的要求，理论上和实践上仍有大量的课题等待人们去研究。
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