在醫(yī)學(xué)和生物電子領(lǐng)域，與人體組織緊密結(jié)合的柔性傳感器對于監(jiān)測健康狀況和實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療具有重要意義。傳統(tǒng)的生物電子材料由于硬度高、與生物組織匹配度差等因素，往往無法實現(xiàn)與人體柔軟組織的無縫連接，這限制了其在長期監(jiān)測和高靈敏度傳感中的應(yīng)用。

針對這一挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張珽研究員團隊研究了一種模仿生物組織的超柔軟、超薄且機械性能增強的微纖維復(fù)合水凝膠材料，此材料不僅厚度小于5微米，還通過嵌入電紡纖維網(wǎng)絡(luò)進一步增強了機械強度，為柔性生物電子的發(fā)展提供了新的解決方案。該成果發(fā)表在了Springer Link期刊上，標(biāo)題為《Biological Tissue-Inspired Ultrasoft, Ultrathin, and Mechanically Enhanced Microfiber Composite Hydrogel for Flexible Bioelectronics》。

背景

近年來，可穿戴和植入式生物電子設(shè)備成為個性化健康監(jiān)測和精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的熱點。這些設(shè)備通過檢測生物信號、監(jiān)控健康狀況、刺激神經(jīng)、實現(xiàn)大腦-計算機接口等功能，展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力。

然而，傳統(tǒng)的基于金屬、陶瓷和塑料的電子設(shè)備與人體軟組織在機械性能上存在明顯差異，導(dǎo)致了組織-電極界面在力學(xué)、生物信號傳輸和生物相容性方面的不匹配。因此，開發(fā)與人體組織具有相似機械性能和高度生物相容性的新型材料成為該領(lǐng)域的重要研究方向。

研究創(chuàng)新

本文提出了一種新策略，通過將電紡微纖維網(wǎng)絡(luò)嵌入水凝膠中，構(gòu)造出超?。?5微米）的微纖維復(fù)合水凝膠薄膜。這種復(fù)合水凝膠薄膜不僅具有與大多數(shù)生物組織和器官匹配的可調(diào)節(jié)模量（從約5 kPa到數(shù)十MPa），而且其超薄配置和超柔軟特性使其能夠無縫貼合于各種粗糙表面。

聚乙烯醇/MF-CH的力學(xué)性能

此外，通過添加甘油和鹽離子，復(fù)合水凝膠展現(xiàn)出了高離子導(dǎo)電性和顯著的抗脫水行為，使其在構(gòu)建貼附型柔性生物電子設(shè)備以監(jiān)測生物信號方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

研究成果

機械性能的增強：通過嵌入電紡微纖維網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合水凝膠在維持超薄配置的同時，展現(xiàn)出了約6 MPa的顯著拉伸強度和抗撕裂性能。

高度的生物相容性：復(fù)合水凝膠的模量可通過調(diào)整其成分在寬范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)與人體各種生物組織和器官的力學(xué)匹配，降低了組織損傷和提高了設(shè)備性能。

抗脫水和高離子導(dǎo)電性：添加的甘油和鹽離子賦予了復(fù)合水凝膠出色的抗脫水能力和高離子導(dǎo)電性，為長時間監(jiān)測生物信號提供了可能。

未來展望

本研究開發(fā)的超柔軟、超薄的微纖維復(fù)合水凝膠為柔性生物電子的發(fā)展提供了新的材料平臺。其出色的機械性能、高度的生物相容性和優(yōu)異的功能性使其在健康監(jiān)測、精準(zhǔn)醫(yī)療和智能穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，基于這種復(fù)合水凝膠的生物電子設(shè)備可以實現(xiàn)更為精準(zhǔn)的生物信號監(jiān)測和高效的治療干預(yù)，推動可穿戴和植入式生物電子技術(shù)的進一步發(fā)展。

通過將電紡技術(shù)與旋轉(zhuǎn)涂布方法相結(jié)合，本研究成功制備了具有定制厚度和機械性能的微纖維復(fù)合水凝膠薄膜，不僅在物理化學(xué)性質(zhì)上與自然生物組織相似，而且在機械彈性、離子導(dǎo)電性等方面均展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這種創(chuàng)新的復(fù)合水凝膠材料的開發(fā)，為解決柔性生物電子與人體軟組織之間的機械匹配問題提供了新的思路，為未來的生物醫(yī)學(xué)研究和應(yīng)用開辟了新的道路。

原文鏈接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01096-4