超软、超薄、机械增强的纤维复合水凝胶用于柔性生物电子

研究背景

可穿戴和植入式生物电子学在个性化医疗监测和精准医疗方面实现了多种应用，提供了一系列的功能，包括生物信号检测、健康监测、神经刺激、脑机接口、神经肌肉连接和半机械组织。由于大多数人体组织本身是柔软的(模量在1 kPa到1 Mpa之间)，基于金属、陶瓷和塑料的电子设备呈现出干燥、非活泼、硬和脆弱的特点，导致组织-电极接口在力学生物信号传输和生物性质方面出现惊人的不匹配。特别是，电子器件和组织之间的机械不匹配不仅影响器件的性能，而且会对局部组织造成严重损害。缩小组织和生物电子学之间的机械不匹配对于这些问题至关重要。此外，生物组织导电一般使用离子，这与电子学中大多使用的电子传输不同。然而，在活体组织的电生理研究中，离子和电子电路在组织-电极界面上是耦合的。因此，生物电子学应该是通过不同的离子和电子电路发挥作用。

水凝胶是由亲水聚合物组成的网络，含有大量的水，因此与天然生物组织有内在的物理化学相似性，为具有高生物活性的工程组织支架提供了一个巨大的潜在候选材料。聚合物网络赋予水凝胶以机械弹性，而水分子和可溶性盐离子赋予水凝胶以离子传导性。一般来说，水凝胶拥有超过90%的高水含量，这赋予了它们极好的柔软性，然而却削弱了其机械强度(几千帕甚至更低)。机械强度低的水凝胶不容易作为自立薄膜(<10 微米)使用。目前生物电子利用的水凝胶通常有一毫米级甚至更大的厚度，这导致了电极和生物组织之间的宽阔间隙。特别是在医疗监测应用中，传感元件和生物组织之间的亲密接触将有效减少接触阻抗，最大限度地减少运动伪影，提高测量精度，并简化后续的数据获取算法。最近，通过使用铸模、叶片涂层或旋转涂层的方法，对薄水凝胶薄膜进行了广泛的探索，但其厚度仍然是几微米甚至更大。尽管如此，制造具有可控微观厚度和优良机械性能的超薄水凝胶薄膜仍然是非常具有挑战性的。

研究成果

水凝胶具有类似组织的柔软性、可拉伸性、断裂韧性、离子传导性以及与生物组织的兼容性，这使它们成为制造柔性生物电子器件的有希望的候选者。柔软的水凝胶薄膜提供了一个理想的界面，可以直接连接薄膜电子器件和软组织。然而，要制造出具有超薄结构和优良机械强度的软水凝胶膜仍然是困难的。在此，中科院苏州纳米所张珽研究员团队报告了一种受生物组织启发的超软微纤维复合超薄(<5 μm)水凝胶膜，这是目前我们所知的最薄的水凝胶膜。嵌入的微纤维使复合水凝胶具有突出的机械强度(拉伸应力~6 MPa) 和抗撕裂性能。此外，该纤维复合水凝胶提供了在广泛范围内可调整的机械性能，允许匹配大多数生物组织和器官的模量。甘油和盐离子的加入使微纤维复合水凝胶具有高离子传导性和突出的抗脱水行为。这样的微纤维复合水凝胶对于构建附着式柔性生物电子器件以监测生物信号是很有希望的。相关研究以“Biological Tissue‑Inspired Ultrasoft, Ultrathin, and Mechanically Enhanced Microfber Composite Hydrogel for Flexible Bioelectronics”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。

研究亮点

1. 通过将电纺纤维网络嵌入水凝胶中，开发了一种新的策略来构建超薄的微纤维复合水凝胶薄膜 (<5 μm)。

2. 微纤维复合水凝胶在广泛的范围内提供可调整的模量 (从5千帕到几十兆帕)，这与大多数生物组织和器官的模量相符。

3. 超薄的构造和超软的性质使得微纤维复合水凝胶可以无缝地附着在各种粗糙的表面上。

图文导读

Fig. 1 Design of PVA/MF-CH-based bioelectronics.

Fig. 2 Mechanical properties of PVA/MF-CH.

Fig. 3 Dehydration behavior and conductivity.

 Fig. 4 Tunable conformability and flexibility.

Fig. 5 Monitoring of EMG biosignals.

总结与展望

在这项工作中，作者开发了一种新的策略，通过结合电纺和纺丝涂层来制造超薄的微纤维复合水凝胶。微纤维复合水凝胶表现出较高的抗拉强度、模量和弹性。嵌入的微纤维网络赋子了微纤维复合水凝胶以突出的抗撕裂性能。超薄的结构和超软的性质使它可以无缝地附着在各种粗糙的表面上。此外，微纤维复合水凝胶的机械特性与几乎所有生物组织的模量相配。通过加入甘油，该微纤维复合水凝胶可长期抗脱水。基于上述特点，由该微纤维复合水凝胶组成的 EMG 电极在EMG 生物信号监测中表现出优异的性能。我们制造超薄水凝胶的策略将促进水凝胶生物电子学的发展，特别是基于水凝胶薄膜的柔性电子学的发展。

文献链接

Biological Tissue‑Inspired Ultrasoft, Ultrathin, and Mechanically Enhanced Microfiber Composite Hydrogel for Flexible Bioelectronics

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01096-4

转自：“i学术i科研”微信公众号

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