导电聚合物的应用和分析研究进展

导电聚合物的应用和研究进展

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

作者简介：贾亚宏<1989-）, 男, 甘肃正宁人, 现为兰州城市学院化学化学与环境科学学院112班学生

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，使用三氟化硼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]。

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治疗性蛋白质，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实验阶段，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M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M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M管，随PLGA纳M纤维的生物降解。PLGA包裹的药物仍在PEDOT纳M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治疗中起到重要的作用。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