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随着低功耗微机电植入器件的发展,为植入微功耗器件提供长期稳定电能供应又成了研究热点。研究结构简单、性能长期稳定、生物安全性高的非生物催化植入葡萄糖燃料电池是解决体内供电问题的可行途径。植入体表层葡萄糖燃料电池是非生物催化葡萄糖燃料电池中极具发展前途的一类电池,其主要的优势为:利用植入器件的表面作为电池电极,不需要再植入额外的电池壳体。然而这种燃料电池目前还存在电活性面积低、制备工艺复杂、植入免疫排斥以及燃料共混造成的电化学短路等问题,上述问题只有通过改造植入体表层葡萄糖燃料电池的电极膜材料设计,才有可能会得到改善。有些多孔导电水凝胶除了具有离子导电和电子导电的双重特性外,还拥有良好的生物相容性,设计制备具有选择性催化功能的多孔导电水凝胶作为植入体表层葡萄糖燃料电池的电极膜极具探索价值。本文针对植入体表层葡萄糖燃料电池存在的问题,根据植入体表层葡萄糖燃料电池的原理和导电水凝胶的特性,设计制备了三种多孔导电水凝胶网络结构作为植入体表层葡萄糖燃料电池的电极膜,通过多种途径对其结构和组成进行调整,以提升电极膜导电性和电化学活性,并最终实现其对富氧中性磷酸缓冲溶液(PBS)中的葡萄糖的选择性催化功能,这为选择性催化多孔导电水凝胶在植入体表层葡萄糖燃料电池中的应用提供了实验基础和理论依据。具体研究工作和结果如下:根据多壁碳纳米管(MWCNTs)良好的导电性和电催化活性以及聚乙烯醇(PVA)的水凝胶特性,设计了 MWCNTs和PVA双网络多孔导电水凝胶,并通过电泳沉积(EPD)和冷冻解冻循环交联工艺,制备了 MWCNTs/PVA导电水凝胶电极膜。通过对MWCNTs/PVA电极膜的电化学性能和微观结构的表征,表明了 MWCNTs/PVA水凝胶电极膜具有高亲水性的多孔导电水凝胶网络结构,虽然MWCNTs/PVA导电水凝胶电极膜对的PBS溶液中的葡萄糖没有明显的催化活性,但对多巴胺和pH>9的碱性溶液中的葡萄糖有明显的催化活性,该电极膜有可能用于植入在人体肠道的葡萄糖燃料电池。基于纳米铂(PtNPs)的良好电催化活性,设计了 MWCNTs、PVA和PtNPs三元多孔导电水凝胶。并利用十六烷基溴化铵(CTAB)与氯铂酸(CPA)的静电吸附原理以及柠檬酸(VC)的温和的化学还原性,在MWCNTs/PVA多孔导电水凝胶膜上实现了高载量的PtNPs负载。通过对PtNPs/MWCNTs/PVA电极膜的电化学性能测试以及微观结构的表征,PtNPs/MWCNTs/PVA导电水凝胶电极膜虽然不具有在富氧环境中对葡萄糖的选择性催化能力,但该电极膜具有高电活性面积、低的表面电荷传递电阻以及良好的扩散通透性等电化学特性基础上,对中性的PBS溶液中葡萄糖的具有良好的电催化活性,该电极膜可用于阴极耗氧叠层植入葡萄糖燃料电池。利用细菌纤维素(BC)的天然纳米网孔结构、MWCNTs的良好导电性、PtNPs的良好电催化活性,设计了 PtNPs、MWCNTs、BC三元多孔叠层导电水凝胶。并利用超声辅助的电泳沉积工艺,实现了 MWCNTs在BC薄膜上的渗入掺杂,从而保证了电极膜同时具有离子导电和电子导电的双重特性;还利用BC对氯铂酸的吸附能力和硼氢化钠的强还原性,实现了在MWCNTs/BC多孔叠层导电水凝胶电极膜上的高载量PtNPs复合。通过对PtNPs/MWCNTs/BC导电水凝胶电极膜电化学性能的测试以及微观结构的表征,该电极膜不仅具有高电活性面积、低的表面电荷传递电阻以及良好的扩散通透性等电化学特性,而且对PBS溶液中葡萄糖表现出了较高的催化活性的基础上,最重要的发现是:该电极膜对富氧PBS溶液中的葡萄糖具有选择催化性。PtNPs/MWCNTs/BC电极膜的多孔叠层结构和PtNPs的高载量离散分布态是PtNPs/MWCNTs/BC导电水凝胶电极膜具有选择性催化葡萄糖能力的原因,该电极膜可用于植入葡萄糖燃料表层电池。将PtNPs/MWCNTs/BC导电水凝胶电极膜作为阳极膜和MWCNTs/BC导电水凝胶电极膜作为阴极膜构建了植入体表层葡萄糖电池。在接近生理氧浓度和葡萄糖浓度的PBS溶液中,PtNPs/MWCNTs/BC-MWCNTs/BC葡萄糖燃料电池的最大功率密度达到了 2.75 ± 0.2 μWcm-2,该燃料电池还表现出了极好的溶解氧耐受度。利用浸提液细胞计数实验(CCK-8)和在材料表面培养骨髓间质干细胞(MSC)的方法对PtNPs/MWCNTs/BC和MWCNTs/BC导电水凝胶电极膜的生物相容性进行了评价,该电极膜表现出了良好的生物相容性。上述研究表明:PtNPs/MWCNTs/BC选择性催化导电水凝胶电极膜用于植入体表层葡萄糖电池的电极膜较为可行,该研究为长期稳定和生物安全性的体内自供电器件的研究和应用提供了新的材料体系和结构设计。