导读
软性生物电子技术作为个性化医疗的一种有前景的平台，因其与生物组织的兼容性提升而受到关注。在多种软材料中，水凝胶因其独特的类组织特性和多功能性脱颖而出。然而，基于水凝胶的生物电子技术的开发面临三大挑战：（1）实现广泛的机械性能范围，从千帕到吉帕，以匹配从柔软的脑组织到硬韧的肌腱等不同类型的组织；（2）平衡和解耦各种材料特性，特别是机械性能和电学性能之间的关系；（3）实现与目标器官的有效植入和整合。本研究综述了水凝胶生物电子学的最新进展，重点介绍了应对这些挑战的策略。首先，本研究探讨了调节水凝胶机械性能的方法，以匹配从柔软脑组织到硬韧肌腱的多种组织。然后，讨论了将导电性引入水凝胶的创新方法，同时保持其机械完整性，并重点介绍了在导电聚合物方面的最新进展，这些进展在解耦电学和机械性能方面展现出潜力。针对植入挑战，本研究审查了刺激响应性水凝胶的最新概念，这些水凝胶具有可编程变形能力，能够实现目标部位的附着和符合性。本研究还对水凝胶系统在可穿戴和植入设备中的应用进行了分类和分析，总结了水凝胶生物电子学在应用层面的最新进展。尽管已经取得了显著的进展，将多种功能整合到单一水凝胶设备中仍然是一个巨大的挑战。进一步的研究对于开发能够与人体无缝对接的多模式生物电子系统至关重要，以最终将这些有前景的技术转化为临床应用。
图文摘要
01. 通过网络设计调节机械性能的策略
图1. 调节水凝胶性能及其在生物电子学中的应用策略。a 水凝胶的网络设计策略；b 水凝胶的机械性能与不同人类组织的匹配；c 具有定制性能的水凝胶在生物电子学中的应用，包括脑电图（EEG）、皮层电图（ECoG）、心电图（ECG）和肌电图（EMG）。
图2. 通过加工方法调节水凝胶性能的策略。a-c 霍夫迈斯特效应：a ‘盐析’与‘盐溶’效应的示意图；b 显示各种阴离子和阳离子影响的相图；c 不同离子下模量变化。经[42]授权改编；d-f 共溶解效应：d 示意图展示不同溶剂条件下孔结构的变化；e 显微镜图像展示结构变化；f 相图说明在DMSO浓度变化下线圈与球状态之间的转变。
图3. 基于水凝胶的生物电子学用于与不同组织的接口。a 大脑：用于神经接口的粘弹性水凝胶电极阵列；b 皮肤：用于表皮电子学的超薄水凝胶膜；c 肌腱：模仿肌腱特性的各向异性芳纶纳米纤维（ANF）复合水凝胶。
02. 通过被动水凝胶界面的机械耦合
图4. 基于水凝胶的生物电子接口采用导电图案。a-b 水凝胶上的图案化石墨烯：a 激光诱导图案化石墨烯与功能性PVA-植酸-蜂蜜水凝胶的多功能生物电子设备示意图；b 用于在水凝胶上图案化LIG的低温转印方法；c-e 液态金属-水凝胶混合材料：c 混合材料的制备过程；d 液态金属-水凝胶混合材料的拉伸稳定性；e 使用液态金属-水凝胶混合电极记录的肌电图（EMG）和心电图（ECG）信号。
03. 为水凝胶赋予导电性的策略
图5. 为水凝胶赋予导电性的策略。a 创建导电水凝胶的三种主要方法的示意图：离子导电性、通过填料实现的电子导电性和内在电子导电性；b 自由离子：电解质离子（Na+、Cl−）、金属离子（Au3+、Cu2+）和离子液体的示例；c 导电填料：碳基纳米材料（如碳纳米管、石墨烯和炭黑）的插图；d 导电单体：导电聚合物的化学结构，包括聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）。
04. 机械性能与电性能的协同耦合
图6. 增强离子导电水凝胶机械性能和电性能的策略。a-b 纤维素-膨润土配位相互作用：a 纤维素-膨润土水凝胶结构的示意图；b 雷达图比较纤维素/膨润土（BT）水凝胶与其他水凝胶的各种性能；c-e 聚氨酯纳米网的集成：c 纳米纤维混合离子皮肤的示意图；d 在不同应变条件下的混合离子皮肤图像；e 将混合离子皮肤与其组成部分进行比较的应力–应变曲线。
图7. 增强导电聚合物水凝胶机械性能和电性能的策略。a 表面凝胶化和致密化方法：涉及表面凝胶化、二次掺杂和部分致密化的制造过程示意图；b 超分子网络结构：结合PEDOT、聚乙二醇（PEG）和环糊精的拓扑超分子网络设计示意图；c 溶剂处理方法：使用DMSO处理形成PEDOT纳米纤维的过程示意图，随后进行干燥退火和再水合；d 激光辅助相分离：用于创建纯PEDOT水凝胶的LIPSA过程示意图，展示激光照射、相分离和额外交联的步骤。
图8. 通过先进制造技术制备的全水凝胶生物电子设备。a PEDOT/PU导电墨水：双连续导电聚合物水凝胶（BC-CPH）结构的示意图，结合了电相（PEDOT）和机械相（聚氨酯）。图像展示了创建软电子设备的多材料3D打印过程、水凝胶对皮肤的符合性及其与生物组织的整合；b 银-水凝胶导电墨水：使用支撑基体和导电墨水的3D打印过程示意图。
05. 水凝胶与生物组织的声学和光学耦合
图9. 水凝胶与生物组织的声学和光学耦合。a, b 基于水凝胶的声学设备：a 示意比较薄型可拉伸和薄型刚性超声探头，突出水凝胶探头对皮肤的优越符合性。比例尺为10 μm；b 超声图像展示了水凝胶探头随时间的成像能力；c-e 基于水凝胶的光学设备：c 在小鼠模型中使用水凝胶光纤进行植入和光传递过程的示意图；d 水凝胶光纤的详细结构，展示其芯层-包层设计和光传输机制；e 演示水凝胶光纤的功能，包括植入图像、通过光纤的光传输以及在拉伸条件下的性能。
06. 通过水凝胶自变形实现靶向器官固定
图10. 用于靶向器官固定的自变形水凝胶生物电子设备。a, b 基于不匹配膨胀的心脏自变形：a 渐变结构水凝胶设备的设计和制造过程，展示其通过差异膨胀的自成形机制。图像展示了变形过程和最终的圆柱螺旋形状；b 演示自变形水凝胶设备的应用，包括对手指关节、各种圆柱物体的符合包裹及其对复杂器官几何形状（如心脏）的适应性；c, d 基于超收缩的神经自变形：c 水响应超收缩聚合物薄膜的制备过程和特征，包括其化学成分、水合时的结构变化和收缩行为。比例尺为1 cm（左上），5 mm（右上）；3 mm（右下）；d 超收缩薄膜在生物电子学中的应用，展示其对各种结构的符合性、电气特性和在神经刺激中的功能。比例尺为5 mm（左）；1 cm（中）；20 µm（右）。
07. 可穿戴和植入式水凝胶生物电子设备
图11. 用于个性化医疗应用的可穿戴水凝胶生物电子设备。a 导电聚合物的转印：示意图和照片展示了将PEDOT薄膜转印到各种基材上的过程，包括水凝胶、纹身纸和皮肤。这些图像展示了转印导电图案的多功能性和透明性。比例尺为1 cm；b 符合形状且自粘附的表皮电极：概念图和图像展示了一种可注射、自粘附的双导电水凝胶用于表皮电极的应用。插图显示了其在伤口敷料和肌电图（EMG）传感中的应用，照片展示了其在皮肤上的附着性能；c 透气性伤口敷料：示意图展示了一种多功能水凝胶基伤口敷料，具有集成传感功能。图像展示了敷料的层状结构、与皮肤的相互作用，以及制作的柔性电极阵列的示例；d 医疗可穿戴设备的触觉传感器：GelMA基触觉传感器的示意图和照片，适用于医疗可穿戴设备。图示展示了传感器的结构及其检测生理信号和物理运动的能力。
图12. 用于个性化医疗应用的植入式水凝胶生物电子设备。a viscos弹性电极阵列：示意图和照片展示了基于海藻酸盐水凝胶的电极阵列，加载了导电碳纳米材料。这些图像展示了其对脑组织的符合性及其在皮层电图（electrocorticography）中的应用；b 电生物粘附界面：概念图和实验结果展示了导电石墨烯纳米复合水凝胶电生物粘合剂（e-bioadhesive）。插图展示了其对湿组织的快速粘附及其在心外膜电生理测绘中的应用；c 定制生物电子界面：展示个性化软生物电子植入物的快速原型制造过程的插图。这些图像展示了3D打印的电极阵列及其在脊髓刺激和周围神经接口中的应用。
本文亮点
总结了水凝胶生物电子技术在个性化医疗领域的最新进展，重点关注机械、电学、声学和光遗传耦合。
讨论了导电聚合物（尤其是PEDOT）的最新进展及其在解耦电学和机械性能方面的潜力。
探讨了刺激响应性水凝胶的概念，该类水凝胶可实现可编程变形，能够针对特定器官进行目标化附着和符合。
作者：赵月棠
审核：方 俊
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https://link.springer.com/article/10.1007/s44258-024-00036-0
引用格式
Zhang, C.W., Chen, C., Duan, S. et al. Hydrogel-based soft bioelectronics for personalized healthcare. Med-X 2, 20 (2024). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00036-0
作者简介
张川威，加州大学洛杉矶分校材料科学与工程专业的博士研究生。他在北京化工大学材料科学与工程学院获得工学学士学位，并在浙江大学高分子科学与工程系获得理学硕士学位。他的研究方向包括高强度凝胶、刺激响应水凝胶及其可控形变，以及基于水凝胶的器件开发。
Ximin He，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学与工程副教授，同时也是加利福尼亚纳米系统研究所（CNSI）的教员。她的研究方向是仿生软材料、结构聚合物及其在生物医学、能源、环境和机器人领域的物理、机械、电气和光热特性应用。曾获得了多项奖项，包括NSF CAREER奖、AFOSR青年研究者奖、CIFAR全球学者、SES青年研究者奖章、摩尔研究员奖、强生WiSTEM2D奖、国际仿生工程学会（ISBE）杰出青年奖、先进材料新星奖、3M非终身教职教员奖、赫尔曼研究员奖和UCLA教员职业发展奖。她在仿生坚韧水凝胶、光向性、光趋性、稳态和防冰材料方面的研究获得了多项区域和国际奖项，并在超过100家国际新闻媒体上报道。
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