西工大李鹏教授 FlexMat 综述:导电水凝胶在生物电子的挑战与机遇

学术   2024-11-13 12:33   江苏  
点击上方蓝字 一键订阅


柔性电子的技术进步促进了生物电子器件朝向可穿戴/可植入、集成化和生物安全的方向发展。新的柔性材料或制备工艺在生物电子研发中将发挥革命性作用。导电水凝胶(Electroconductive Hydrogels, ECHs)因其可调节的导电性及类组织的生物力学特性,在生物电子领域被广泛研究。ECHs能够与生物系统紧密结合传输生理信号,是实现电子设备与生物组织无缝集成的重要材料,具有革新生物体与电子设备融合技术的潜力

西北工业大学柔性电子研究院李鹏教授近日FlexMat期刊上发表了题为Electroconductive hydrogels for bioelectronics: Challenges and opportunities的综述文章(DOI: 10.1002/flm2.31)。文章深入探讨了ECHs在生物电子领域的挑战和应用(图1),并对其未来研究前景进行了展望。


1 ECHs在生物电子中的挑战和应用


该综述系统地分析了ECHs在生物电子领域所面临的主要挑战,并针对这些挑战总结了一系列现行的解决策略,同时分析了ECHs组成与其性能之间的构效关系。作者在文中详细阐述了以下几点挑战:

(1)ECHs与人体组织的拉伸性能匹配性差阻碍了其在穿戴/植入过程中的可靠性。水凝胶的低拉伸性通常归因于不均匀的化学交联网络和缺乏有效的能量耗散网络。为了解决该问题,作者归纳了构建刚性-柔性双网络水凝胶、引入可逆相互作用、填充纳米材料作为物理交联剂等策略,提供有效的能量耗散体系,从而提升ECHs的拉伸性能。

(2)在干燥或低温环境中,ECHs的使用面临着水蒸发或冻结的问题。该问题本质上是由水凝胶材料中水的物理特性引起的。为避免ECHs网络中水分的快速蒸发并保持ECHs的性能,作者总结并分析了添加无机盐、构建有机水凝胶、建立疏水屏障以及使用亲水聚合物骨架等增强水凝胶保水能力的策略。ECHs的抗冻性也可以通过多种策略来提高,包括加入电解质作为防冻剂、引入离子液体、添加有机溶剂或者对聚合物网络进行接枝改性以防止冰核形成,从而在寒冷的温度下也能保证材料的功能。

(3)生物电子设备在长期使用后易遭受损伤,导致其可靠性和耐用性降低。自愈性ECHs在应对材料机械损伤方面表现出巨大的潜力,其主要通过可逆的非共价相互作用或动态共价相互作用来实现自修复过程。此外,作者总结了水凝胶的两种自修复机制:一种涉及材料本身的主动行为,例如动态化学键等,另一种是对外部刺激(如热、光或酸碱度)做出被动响应,从而实现自修复过程。

(4)ECHs与生物电子设备之间的界面不相容会导致设备信号强度低、信噪比差、动作错误,甚至器件失效。具有自粘特性的ECHs可以增强生物电子在信号传输中的稳定性和保真度。ECHs与生物组织的粘附取决于其界面处的化学键和分子间相互作用。生物组织中丰富的官能团,包括羧酸、硫醇、氨基和羟基等,为水凝胶粘附提供了足够的锚点。通过调整ECHs的组分和官能团,可以建立高强度的结合界面以有效匹配生物组织。

(5)ECHs易受到微生物的污染进而导致严重的感染和炎症。抗菌ECHs可以避免感染造成的血管和组织损伤及生物电子设备的失效,其制备策略包括使用物理的方法将具有抗菌功能的物质掺杂在水凝胶网络中或者通过化学接枝/共聚制备抗菌聚合物网络。此外,响应性的抗菌策略可以降低材料本身的生物毒性,例如将光热剂或光敏剂分引入水凝胶中以实现光热或光动力抗菌。

文章还介绍了ECHs在生物电子应用场景中展现出的机遇。在健康监测方面,ECHs能够通过不同的传感单元和原理实现对人体的生物、物理或化学信号的精准监测。并且由于其出色的生物相容性和可塑性,ECHs可以被制备成不同形状和尺寸,以满足复杂的监测要求和应用环境。在疾病治疗方面,ECHs具有优异的导电性和生物相容性,是在生物体和电子系统之间建立有效相互作用的理想介质。ECHs在电刺激治疗中作用显著,能够通过电场控制药物释放或促进细胞分化或增殖,在促进伤口愈合、药物控释、心脏或神经组织修复等场景取得了理想的治疗效果。在人机界面方面ECHs能够弥合电子设备和神经组织之间的界面差异,降低组织对侵入电极的免疫反应。ECHs作为神经接口材料有望实现电子设备与神经系统的无缝集成,并推动人机界面开发的范式转变。


展望未来,ECHs在提升生物安全性、功能开发及先进制造方面将继续发展,以满足更加复杂的生物电子应用需求,推动人类与电子设备的深度融合。这篇综述为生物电子的研究提供了参考,为进一步的材料优化与器件设计提供了方向建议。


该论文的第一作者为西北工业大学柔性电子研究院2021级博士研究生刘念。论文得到了国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金、西北工业大学博士论文创新基金以国家博士后创新人才支持计划的资助。


作者简介:

向上滑动阅览


李鹏教授,本文通讯作者,2006年本科毕业于天津大学,2013年博士毕业于新加坡南洋理工大学,现任西北工业大学柔性电子研究院副院长、柔性电子前沿科学中心副主任,研究方向为生物材料与柔性器件。近年来以第一/通讯作者在Nature Materials, Science Advances, Advanced Materialsnpj Flexible Electronics, ACS Nano等国际一流期刊发表论文120余篇,申获WIPO国际专利、中国专利多项。入选陕西省人才计划青年学者(2018)、“陕西青年科技新星”(2019)、“陕西省杰青”(2023)。担任陕西省柔性电子学会副秘书长,全国卫生产业协会疝和腹壁外科产业及临床研究协会第13分会副主任委员,中国生物材料学会生物医用高分子、表界面工程分会、康复器械与生物材料分会委员。担任2019年全国高分子学术论文报告会副秘书长,2021年全国高分子学术论文报告会、2021-2023年国际材料联合会前沿材料会议分会主席,担任J. Mater. Sci. Technol.客座编辑,Flex. Mater.Smart Mater. Med.期刊编委,Sci. China Mater.青年编委。


刘念,本文第一作者,西北工业大学柔性电子研究院2021级博士研究生,研究方向为可穿戴精准光动力治疗材料与器件。


文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/flm2.31


相关进展

西工大黄维院士团队李鹏教授课题组 npj Flex. Electron.:柔性可穿戴光疗电子器件新进展

西工大李鹏、张悦周 AFM : 载WOₓ水凝胶实现光催化产氧和光热协同治疗糖尿病感染伤口

西工大李鹏教授课题组 Sci. Adv.:可选择性杀灭ESKAPE耐药菌的含氟两亲性阳离子聚合物

西工大黄维院士团队李鹏/王腾蛟 AFM:用于创伤后癫痫监测的柔性脑电电极

西工大黄维院士团队李鹏教授、王腾蛟副教授 AFM:柔性抑菌气凝胶生理电极实现长效可持续人机交互应用

西工大黄维院士团队李鹏教授、王腾蛟副教授 Mater. Horiz.:糖尿病伤口生理信号监测功能可粘附/自愈合/抑菌智能柔性敷料

西工大黄维院士团队李鹏教授、王腾蛟副教授 AM综述:脑机接口柔性电极

西工大黄维院士团队李鹏教授、王腾蛟副教授 AFM:应用于多模态监测和紧急预警系统的亲肤性自增强水凝胶基柔性电子器件

西工大李鹏/王腾蛟团队《J. Control. Release》:生物被膜微环境响应一氧化碳释放胶束

西工大李鹏教授/王腾蛟副教授《ACS Macro Lett.》:通过核交联策略调控聚合物胶束的H2S递送行为

西工大李鹏、贾庆岩 Sci. Bull.:多酚聚合物细胞膜涂层“包覆”肿瘤实现代谢物递送抑制治疗


高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享,刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群,请先加审核微信号PolymerChina(或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。

这里“阅读原文”,查看更多


高分子科技
高分子科技®协同全球高分子产业门户及创新平台 “ 中国聚合物网 www.polymer.cn ” ,实时报道高分子科学前沿动态,关注和分享新材料、新工艺、新技术、新设备等一线科技创新设计、解决方案,促进产学研及市场一体化合作的共同发展。
 最新文章