中文摘要：

导电水凝胶具有可与生物组织通过生物电产生应答的理想界面，能调控蛋白质和细胞的黏附与生长，改善与生物组织的相容性和生物电响应。本项目首先通过成型与结构控制，制备物理形态和导电性可控的生物相容性无机导电网络和本征态导电高分子网络导电水凝胶；表征和比较两类导电相网络结构的组分含量、制备条件、交联密度、溶胀特性、微观结构等与表面电位、阻抗、电流密度等的定量关系；其次，探讨不同结构和不同电性参数的导电水凝胶对蛋白质的吸附和解吸、细胞粘附和生长状态的影响，以及界面电位和界面张力变化，揭示导电水凝胶与生物体组织的生物电响应规律；最后，研究比较两类导电水凝胶/内置电极对动物组织炎症反应的影响，提出并验证两种导电水凝胶体内外发生电荷传导和生物电应答的机理，并建立导电水凝胶结构与生物电响应的本构关系和电荷传递理论模型。为导电水凝胶在内置生物传感器电极、神经修复电极表面、人工神经等临床应用提供实验和理论基础。

结论摘要：

本项目根据人体组织的电学参数和人体微电场的相关理论，仿生设计和制备了PVP-MWCNT/PVA复合导电水凝胶、A-MWCNT/PVA多孔复合导电水凝胶以及MWCNT/BC复合凝胶膜等；表征了MWCNTs的含量、导电网络的密度、孔隙的形态等对复合导电水凝胶的电导率、伏安特征曲线、交流阻抗谱、循环伏安曲线等的影响规律。发现PVP-MWCNTs分散在PVA水凝胶基体中形成了交缠互穿的导电网络结构。随着MWCNTs含量的增加，PVA水凝胶的电导率与电化学活性增大，容抗比例减小，电导率出现突变点。复合导电水凝胶由绝缘体变为导体时，PVP-MWCNTs的临界点含量为7.5wt%。依据有效介质普适方程（General Effective-Media equation，GEM方程）， 得出了PVP-MWCNT/PVA导电水凝胶的电导率渗流阈值为0.0521，这与实验结果相吻合。此外，PVP-MWCNTs含量在2.0—5.0wt%区间以内时，复合导电水凝胶存在负电阻效应。 本项目还探讨了在体外模拟人体微电场作用下，蛋白在不同复合导电水凝胶表面的吸附行为，以及吸附界面的电流强度、交流阻抗和电化学活性的变化规律；构建了复合导电水凝胶与蛋白间的体外模拟生物电响应的等效电路模型，并由此解释了其响应的机理。并研究了导电水凝胶分别对多巴胺、抗坏血酸、血糖等体内生物分子响应的特征，以及对神经细胞的相互作用。发现在模拟人体微电场作用下，牛血清蛋白BSA在两类复合导电水凝胶在微电场作用下的吸附能力得到提高。这是由于MWCNTs与三维连通孔的存在而引起PVA水凝胶的电导率与容抗的增大以及负电阻效应的出现， 提高了牛血清白蛋白复合导电水凝胶表面的吸附性能，且吸附界面的电流强度增大，交流阻抗改变，电化学活性降低。这与蛋白分子在静电引力作用下向复合导电水凝胶表面定向迁移，以及电荷在吸附体系中的传导共同影响了吸附界面的电流强度，造成吸附界面的交流阻抗发生变化有关。将导电水凝胶修饰电极应用于多巴胺的检测，其催化氧化效果明显，响应电流与浓度成线性关系，反应也属于受浓差极化控制的准可逆反应；交流阻抗图谱显示多巴胺分子在修饰电极表面发生电极反应时，电荷传递电阻明显小于未修饰电极表面电阻。该工作为导电水凝胶的生物电响应以及在生物传感器和神经电极等领域的应用提供了实验基础和理论依据。