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  柔性電子的技術(shù)進步促進了生物電子器件朝向可穿戴/可植入、集成化和生物安全的方向發(fā)展。新的柔性材料或制備工藝在生物電子研發(fā)中將發(fā)揮革命性作用。導(dǎo)電水凝膠（Electroconductive Hydrogels, ECHs）因其可調(diào)節(jié)的導(dǎo)電性及類組織的生物和力學(xué)特性，在生物電子領(lǐng)域被廣泛研究。ECHs能夠與生物系統(tǒng)緊密結(jié)合并傳輸生理信號，是實現(xiàn)電子設(shè)備與生物組織無縫集成的重要材料，具有革新生物體與電子設(shè)備融合技術(shù)的潛力。

  西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院李鵬教授近日在FlexMat期刊上發(fā)表了題為“Electroconductive hydrogels for bioelectronics: Challenges and opportunities”的綜述文章（DOI: 10.1002/flm2.31）。文章深入探討了ECHs在生物電子領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和應(yīng)用（圖1），并對其未來研究前景進行了展望。

圖1 ECHs在生物電子中的挑戰(zhàn)和應(yīng)用

  該綜述系統(tǒng)地分析了ECHs在生物電子領(lǐng)域所面臨的主要挑戰(zhàn)，并針對這些挑戰(zhàn)總結(jié)了一系列現(xiàn)行的解決策略，同時分析了ECHs組成與其性能之間的構(gòu)效關(guān)系。作者在文中詳細(xì)闡述了以下幾點挑戰(zhàn)：

  （1）ECHs與人體組織的拉伸性能匹配性差阻礙了其在穿戴/植入過程中的可靠性。水凝膠的低拉伸性通常歸因于不均勻的化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和缺乏有效的能量耗散網(wǎng)絡(luò)。為了解決該問題，作者歸納了構(gòu)建剛性-柔性雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、引入可逆相互作用、填充納米材料作為物理交聯(lián)劑等策略，提供有效的能量耗散體系，從而提升ECHs的拉伸性能。

  （2）在干燥或低溫環(huán)境中，ECHs的使用面臨著水蒸發(fā)或凍結(jié)的問題。該問題本質(zhì)上是由水凝膠材料中水的物理特性引起的。為避免ECHs網(wǎng)絡(luò)中水分的快速蒸發(fā)并保持ECHs的性能，作者總結(jié)并分析了添加無機鹽、構(gòu)建有機水凝膠、建立疏水屏障以及使用親水聚合物骨架等增強水凝膠保水能力的策略。ECHs的抗凍性也可以通過多種策略來提高，包括加入電解質(zhì)作為防凍劑、引入離子液體、添加有機溶劑或者對聚合物網(wǎng)絡(luò)進行接枝改性以防止冰核形成，從而在寒冷的溫度下也能保證材料的功能。

  （3）生物電子設(shè)備在長期使用后易遭受損傷，導(dǎo)致其可靠性和耐用性降低。自愈性ECHs在應(yīng)對材料機械損傷方面表現(xiàn)出巨大的潛力，其主要通過可逆的非共價相互作用或動態(tài)共價相互作用來實現(xiàn)自修復(fù)過程。此外，作者總結(jié)了水凝膠的兩種自修復(fù)機制：一種涉及材料本身的主動行為，例如動態(tài)化學(xué)鍵等，另一種是對外部刺激（如熱、光或酸堿度）做出被動響應(yīng)，從而實現(xiàn)自修復(fù)過程。

  （4）ECHs與生物電子設(shè)備之間的界面不相容會導(dǎo)致設(shè)備信號強度低、信噪比差、動作錯誤，甚至器件失效。具有自粘特性的ECHs可以增強生物電子在信號傳輸中的穩(wěn)定性和保真度。ECHs與生物組織的粘附取決于其界面處的化學(xué)鍵和分子間相互作用。生物組織中豐富的官能團，包括羧酸、硫醇、氨基和羥基等，為水凝膠粘附提供了足夠的錨點。通過調(diào)整ECHs的組分和官能團，可以建立高強度的結(jié)合界面以有效匹配生物組織。

  （5）ECHs易受到微生物的污染進而導(dǎo)致嚴(yán)重的感染和炎癥。抗菌ECHs可以避免感染造成的血管和組織損傷及生物電子設(shè)備的失效，其制備策略包括使用物理的方法將具有抗菌功能的物質(zhì)摻雜在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中或者通過化學(xué)接枝/共聚制備抗菌聚合物網(wǎng)絡(luò)。此外，響應(yīng)性的抗菌策略可以降低材料本身的生物毒性，例如將光熱劑或光敏劑分引入水凝膠中以實現(xiàn)光熱或光動力抗菌。

  文章還介紹了ECHs在生物電子應(yīng)用場景中展現(xiàn)出的機遇。在健康監(jiān)測方面，ECHs能夠通過不同的傳感單元和原理實現(xiàn)對人體的生物、物理或化學(xué)信號的精準(zhǔn)監(jiān)測。并且由于其出色的生物相容性和可塑性，ECHs可以被制備成不同形狀和尺寸，以滿足復(fù)雜的監(jiān)測要求和應(yīng)用環(huán)境。在疾病治療方面，ECHs具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和生物相容性，是在生物體和電子系統(tǒng)之間建立有效相互作用的理想介質(zhì)。ECHs在電刺激治療中作用顯著，能夠通過電場控制藥物釋放或促進細(xì)胞分化或增殖，在促進傷口愈合、藥物控釋、心臟或神經(jīng)組織修復(fù)等場景取得了理想的治療效果。在人機界面方面，ECHs能夠彌合電子設(shè)備和神經(jīng)組織之間的界面差異，降低組織對侵入電極的免疫反應(yīng)。ECHs作為神經(jīng)接口材料有望實現(xiàn)電子設(shè)備與神經(jīng)系統(tǒng)的無縫集成，并推動人機界面開發(fā)的范式轉(zhuǎn)變。

作者簡介：

李鵬教授，本文通訊作者，2006年本科畢業(yè)于天津大學(xué)，2013年博士畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)，現(xiàn)任西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院副院長、柔性電子前沿科學(xué)中心副主任，研究方向為生物材料與柔性器件。近年來以第一/通訊作者在Nature Materials, Science Advances, Advanced Materials，npj Flexible Electronics, ACS Nano等國際一流期刊發(fā)表論文120余篇，申獲WIPO國際專利、中國專利多項。入選陜西省人才計劃青年學(xué)者（2018）、“陜西青年科技新星”（2019）、“陜西省杰青”（2023）。擔(dān)任陜西省柔性電子學(xué)會副秘書長，全國衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)協(xié)會疝和腹壁外科產(chǎn)業(yè)及臨床研究協(xié)會第13分會副主任委員，中國生物材料學(xué)會生物醫(yī)用高分子、表界面工程分會、康復(fù)器械與生物材料分會委員。擔(dān)任2019年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會副秘書長，2021年全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會、2021-2023年國際材料聯(lián)合會前沿材料會議分會主席，擔(dān)任J. Mater. Sci. Technol.客座編輯，Flex. Mater.、Smart Mater. Med.期刊編委，Sci. China Mater.青年編委。

劉念，本文第一作者，西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院2021級博士研究生，研究方向為可穿戴精準(zhǔn)光動力治療材料與器件。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/flm2.31