研究背景
传统超级电容器在植入人体后不可避免地与血液直接接触，容易引发血小板激活、凝血和炎症等反应，从而导致血栓形成和设备性能下降，甚至威胁患者生命。因此，开发具有抗凝血性能的植入式超级电容器对于提升设备的生物相容性和临床安全性至关重要。
成果简介
基于此，兰州理工大学冉奋教授等人提出了通过肝素掺杂导电聚合物（PEDOT）制备抗凝血超级电容器的策略，成功解决了植入式能量储存装置缺乏抗凝血保护机制的关键问题。该研究以“An anticoagulant supercapacitor for implantable applications”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。
值得注意的是，这是兰州理工大学校史第一篇Nature Commun.。
研究亮点
1. 创新性抗凝血策略：通过将抗凝血大分子肝素掺杂于导电聚合物PEDOT中，制备了一种具有高导电性和抗凝血性能的电极材料，显著改善了植入式超级电容器的生物相容性和血液安全性。
2. 一体化结构设计：提出了基于细菌纤维素电解质层的“一体化”超级电容器设计，直接在电解质层两侧构建电极材料，消除了界面效应，提升了离子和电子传输效率，从而大幅提高了设备的电化学性能和长期稳定性。
3. 优异的电化学性能：该超级电容器不仅具备高电导率（3.27 S·m⁻¹）和优异的循环稳定性（20,000次循环后电容保持率达76.24%），还展现了延长凝血时间和抑制血小板粘附的卓越抗凝血性能。
图文导读
图1 传统植入式电子设备与抗凝血植入式超级电容器接触血液后血液成分的不同临床反应
图1展示了传统植入式电子设备与抗凝血超级电容器在与血液接触后引发的不同临床反应机制。传统植入设备因缺乏表面抗血栓保护机制，在植入人体后会触发一系列不良反应，包括血小板激活、蛋白质吸附、炎症反应以及血栓形成。这些反应导致血液成分在设备表面沉积，形成血栓，不仅显著降低电子设备的电化学性能，还可能引发肺栓塞或脑梗塞等全身性并发症。而本文中的抗凝血超级电容器通过在PEDOT中掺杂肝素分子，将其强大的抗凝血特性引入电极材料。肝素的多磺酸基团可与抗凝血酶特征位点结合，有效抑制血液凝血酶的活性，延缓或阻止凝血级联反应。
图2 抗凝血超级电容器的制备及数码照片
图2展示了抗凝血超级电容器的制备过程及其独特的结构特性。首先，通过化学氧化聚合法，将导电聚合物EDOT与肝素分子反应，形成PEDOT复合材料作为电极，并与细菌纤维素（BC）电解质层结合，完成抗凝血超级电容器的“一体化”结构构建。图中详细说明了聚合反应的关键步骤，包括EDOT单体的氧化、阳离子自由基的生成、二聚体的形成及最终掺杂肝素的PEDOT的制备。此外，图中还展示了超级电容器的物理特性，包括电容器整体厚度仅为0.176 mm，同时展示了该设备的柔韧性和稳定性，在植入设备领域具有实际应用潜力。
图3 PEDOT复合材料的结构与性能表征
图3展示了PEDOT复合材料的分子结构、形貌特征及物理化学性能。通过FTIR光谱分析，确认了PEDOT中含有C-O-S、S=O和C-O-C等关键官能团，这些功能基团的存在表明肝素成功掺杂于PEDOT中。同时，TGA热重分析表明PEDOT。
具有优异的热稳定性，其分解温度从354°C提升至365°C，进一步验证了肝素的掺杂效果。通过XPS高分辨光谱分析，检测到S和O元素的显著增强，特别是-SOx和S=O特征峰的出现，证明了肝素的成功引入。SEM影像清晰展示了PEDOT形貌相较于未掺杂的PEDOT由致密结构变为多孔形态，这种多孔特性由TEM和BET测试进一步确认，PEDOT的分散性和比表面积较纯PEDOT显著提高。
图4 PEDOT的电化学性能及血液相容性
图4展示了PEDOT电极材料的电化学性能和抗凝血特性的表征结果。在导电性测试中，PEDOT的导电率显著提升，最高达到3.27 S·m⁻¹，远超未掺杂肝素的PEDOT（0.50 S·m⁻¹），说明肝素的引入有效改善了材料的电荷传输能力。通过循环伏安（CV）和恒流充放电（GCD）曲线测试，PEDOT电极材料表现出优异的可逆充放电性能和较大的比电容。
此外，随着肝素掺杂量的增加，电化学性能呈现先增强后下降的趋势。在抗凝血性能测试中，PEDOT显著延长了凝血时间（APTT、PT、TT等）并降低纤维蛋白原含量（Fib），证实了其优异的抗凝血效果。同时，血小板粘附实验显示，PEDOT表面血小板粘附量显著减少，与未掺杂肝素的PEDOT相比展现出显著的抗血小板粘附能力。
图5 抗凝血超级电容器的结构与血液相容性分析
图5展示了抗凝血超级电容器的结构特点及其在生物和血液相容性方面的性能。通过SEM分析，超级电容器的截面具有清晰的电极-电解质一体化结构，C、O和S元素的分布证实PEDOT电极材料成功沉积在细菌纤维素（BC）电解质层的两侧，形成了连续的导电界面。这种一体化设计消除了传统层叠式电容器的界面效应，大幅提升了离子传输效率和设备稳定性。在生物相容性测试中，L929细胞在提取液中表现出正常的形态和增殖能力，表明超级电容器对细胞无毒害作用。
此外，血液相容性测试显示，设备的溶血率远低于5%的ASTM标准，满足植入式设备的临床要求。在抗凝血性能测试中，超级电容器显著延长了凝血时间（APTT、PT、TT）并减少了纤维蛋白原含量，尤其是在36小时聚合时间下，其APTT达到63.4秒，证明肝素掺杂材料对内源性凝血途径的抑制效果最为显著。血小板粘附测试进一步显示，设备表面血小板数量随着聚合时间延长而显著减少，展现了卓越的抗血小板粘附能力。
结论展望
本研究开发了一种基于肝素掺杂导电聚合物（PEDOT）的抗凝血超级电容器，成功实现了植入式电子设备在体内环境中的高效能量储存与血液相容性平衡。肝素的引入不仅显著提升了电极材料的导电性，还赋予了设备卓越的抗凝血性能，有效延长凝血时间并抑制血小板粘附，为解决传统植入设备血栓形成的问题提供了新方案。
文献信息
An anticoagulant supercapacitor for implantable applications. Nature Communications,