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  柔性電子的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)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(hào)，是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備與生物組織無(wú)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(duì)其未來(lái)研究前景進(jìn)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(duì)這些挑戰(zhàn)總結(jié)了一系列現(xiàn)行的解決策略，同時(shí)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(diǎn)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(guò)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(wèn)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(wèn)題。該問(wèn)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(wú)機(jī)鹽、構(gòu)建有機(jī)水凝膠、建立疏水屏障以及使用親水聚合物骨架等增強(qiáng)水凝膠保水能力的策略。ECHs的抗凍性也可以通過(guò)多種策略來(lái)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(jī)溶劑或者對(duì)聚合物網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(zhǎng)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(duì)材料機(jī)械損傷方面表現(xiàn)出巨大的潛力，其主要通過(guò)可逆的非共價(jià)相互作用或動(dòng)態(tài)共價(jià)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)自修復(fù)過(guò)程。此外，作者總結(jié)了水凝膠的兩種自修復(fù)機(jī)制：一種涉及材料本身的主動(dòng)行為，例如動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵等，另一種是對(duì)外部刺激（如熱、光或酸堿度）做出被動(dòng)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)過(guò)程。

  （4）ECHs與生物電子設(shè)備之間的界面不相容會(huì)導(dǎo)致設(shè)備信號(hào)強(qiáng)度低、信噪比差、動(dòng)作錯(cuò)誤，甚至器件失效。具有自粘特性的ECHs可以增強(qiáng)生物電子在信號(hào)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(tuán)，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(diǎn)。通過(guò)調(diào)整ECHs的組分和官能團(tuán)，可以建立高強(qiáng)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(jìn)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(guò)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(shí)現(xiàn)光熱或光動(dòng)力抗菌。

  文章還介紹了ECHs在生物電子應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出的機(jī)遇。在健康監(jiān)測(cè)方面，ECHs能夠通過(guò)不同的傳感單元和原理實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的生物、物理或化學(xué)信號(hào)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。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(cè)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(guò)電場(chǎng)控制藥物釋放或促進(jìn)細(xì)胞分化或增殖，在促進(jìn)傷口愈合、藥物控釋、心臟或神經(jīng)組織修復(fù)等場(chǎng)景取得了理想的治療效果。在人機(jī)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(duì)侵入電極的免疫反應(yīng)。ECHs作為神經(jīng)接口材料有望實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備與神經(jīng)系統(tǒng)的無(wú)縫集成，并推動(dòng)人機(jī)界面開(kāi)發(fā)的范式轉(zhuǎn)變。

作者簡(jiǎn)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(zhǎng)、柔性電子前沿科學(xué)中心副主任，研究方向?yàn)樯锊牧吓c柔性器件。近年來(lái)以第一/通訊作者在Nature Materials, Science Advances, Advanced Materials，npj Flexible Electronics, ACS Nano等國(guó)際一流期刊發(fā)表論文120余篇，申獲WIPO國(guó)際專利、中國(guó)專利多項(xiàng)。入選陜西省人才計(jì)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(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)，全國(guó)衛(wèi)生產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)疝和腹壁外科產(chǎn)業(yè)及臨床研究協(xié)會(huì)第13分會(huì)副主任委員，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)生物醫(yī)用高分子、表界面工程分會(huì)、康復(fù)器械與生物材料分會(huì)委員。擔(dān)任2019年全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)，2021年全國(guó)高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)、2021-2023年國(guó)際材料聯(lián)合會(huì)前沿材料會(huì)議分會(huì)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(jí)博士研究生，研究方向?yàn)榭纱┐骶珳?zhǔn)光動(dòng)力治療材料與器件。

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