第一作者：Jiazheng Lao

通訊作者：Jing Yu，Xue Feng，Yinji Ma，Yingchao Zhang

通訊單位：南洋理工大學(xué)，清華大學(xué)

DOI: 10.1021/acsnano.4c12823

背景介紹

生物電子設(shè)備與生物組織的集成因其在健康監(jiān)測(cè)和疾病治療中的重要性而受到廣泛關(guān)注，如生物電位記錄、傷口護(hù)理和心血管疾病治療。然而，大多數(shù)傳統(tǒng)的生物電子設(shè)備使用剛性和干燥的金屬作為電極，由于與軟生物組織的機(jī)械不匹配，導(dǎo)致界面處的高接觸阻抗和相鄰細(xì)胞/組織不可避免的免疫反應(yīng)。因此，會(huì)出現(xiàn)低質(zhì)量的信號(hào)采集甚至功能故障。為了解決這些問(wèn)題，最近出現(xiàn)了類似組織的導(dǎo)電水凝膠，它們要么被用來(lái)取代傳統(tǒng)的電極，要么被用作與生物組織直接接觸的橋接層。用于生物電子設(shè)備的導(dǎo)電水凝膠應(yīng)具有特定的特性，包括低接觸阻抗和均勻的導(dǎo)電性，以促進(jìn)電路和組織之間的高精度電通信，低模量和強(qiáng)粘附性，以確保與組織的穩(wěn)定和保形接觸，同時(shí)最大限度地減少機(jī)械失配，以及低細(xì)胞毒性和良好的生物相容性，以避免體內(nèi)的不良免疫反應(yīng)。

盡管已經(jīng)發(fā)展了幾十年，但導(dǎo)電水凝膠仍處于早期階段。使水凝膠導(dǎo)電的最簡(jiǎn)單方法是添加導(dǎo)電材料，如金屬、碳納米管和石墨烯。然而，它們的機(jī)械不均勻性和細(xì)胞毒性阻礙了實(shí)際應(yīng)用。另外，基于導(dǎo)電聚合物的水凝膠，如聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT）、聚吡咯和聚苯胺，被認(rèn)為是有前景的生物電子學(xué)材料，其特征是固有的鏈級(jí)導(dǎo)電性和良好的生物相容性。目前，開(kāi)發(fā)導(dǎo)電聚合物基水凝膠主要有兩種方法。第一種使用植酸、離子液體或二甲亞砜等有機(jī)溶劑來(lái)制備純導(dǎo)電聚合物水凝膠。然而，這些水凝膠的機(jī)械性能較差，粘附力不足，導(dǎo)致長(zhǎng)期不穩(wěn)定。盡管已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種方法來(lái)增強(qiáng)與生物組織的粘附，但與導(dǎo)電墊粘附的意義卻被忽視了。因此，對(duì)通用表面具有足夠粘附力的水凝膠仍然存在不足。第二種方法將導(dǎo)電聚合物與另一種柔軟、可拉伸的聚合物網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，以獲得更好的機(jī)械性能。然而，導(dǎo)電聚合物的疏水性通常會(huì)導(dǎo)致聚集體斷開(kāi)，阻礙均勻的導(dǎo)電性。因此，實(shí)現(xiàn)具有均勻?qū)щ娦缘娜彳洝⒖衫旌驼承詫?dǎo)電聚合物基水凝膠仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作提出了一種本質(zhì)上具有粘性和導(dǎo)電性的水凝膠，具有組織樣模量，對(duì)各種基材具有很強(qiáng)的粘附性。

2. 粘合劑鄰苯二酚基團(tuán)被摻入導(dǎo)電聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT）水凝膠基質(zhì)中，這減小了PEDOT的尺寸并提高了分散性，形成了一個(gè)具有優(yōu)異導(dǎo)電性和應(yīng)變不敏感性的滲流網(wǎng)絡(luò)。

3. 這種水凝膠有效地連接了生物電子學(xué)與組織的界面，確保了原始的信號(hào)記錄，同時(shí)最大限度地減少了身體運(yùn)動(dòng)的干擾。

4. 這種能力通過(guò)全面的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到了證明，包括在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)人體皮膚上的肌電圖和心電圖記錄，以及在運(yùn)動(dòng)大鼠上的皮層電圖。

圖文解析

圖1. 固有粘性和導(dǎo)電水凝膠的設(shè)計(jì)。（a） 直接附著在組織上的傳統(tǒng)生物電子設(shè)備的示意圖。具有粘附到組織（b）的水凝膠界面并從組織（c）傳輸信號(hào)的生物電子裝置的示意圖。（d） 水凝膠內(nèi)聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖。（e） 水凝膠主要成分的分子結(jié)構(gòu)以及DMA和PEDOT之間的潛在相互作用。（f） 用于可穿戴和植入式生物電位信號(hào)監(jiān)測(cè)的水凝膠生物電子設(shè)備的示意圖，包括皮膚肌電圖、心電圖和植入式心電圖。

圖2. EPAD水凝膠的機(jī)械和粘合性能。（a） DMA-PEDOT的設(shè)計(jì)和擬議結(jié)構(gòu)示意圖。DMA-PEDOT的TEM圖像（b）及其水凝膠內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)（c）。（d） DMA-PEDOT和原始PEDOT的ATR-FTIR光譜。（e） DMA-PEDOT和原始PEDOT的XPS光譜。（f） 不同DMA-PEDOT含量的水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（表S1）。（g） 不同DMA-PEDOT含量水凝膠的楊氏模量和韌性。（h） DMA-PEDOT、PDA和PAM鏈之間的非共價(jià)相互作用。（i） EPAD、PAM-PDA和純PAM水凝膠的ATR-FTIR光譜。（j） EPAD水凝膠的時(shí)間依賴性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（k） 通過(guò)搭接剪切試驗(yàn)研究EPAD水凝膠對(duì)不同基材的粘附強(qiáng)度。插圖是搭接剪切試驗(yàn)的示意圖。（l） EPAD水凝膠與其他報(bào)道的導(dǎo)電水凝膠在楊氏模量和粘附強(qiáng)度方面的比較。

圖3. EPAD水凝膠的電學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)。（a） 不同DMA-PEDOT含量水凝膠的電導(dǎo)率。（b） 以原始PEDOT-PAM-PDA水凝膠和離子導(dǎo)電水凝膠為參考，研究了EPAD水凝膠在單軸拉伸下的電阻變化。（c） EPAD水凝膠在30%應(yīng)變循環(huán)載荷下的電阻變化。（d） 描繪DMA-PEDOT網(wǎng)絡(luò)在拉伸和釋放過(guò)程中變形的示意圖。凍干EPAD水凝膠（e和f）和原始PEDOT-PAM-PDA水凝膠（g）的橫截面SEM圖像。（h） EPAD水凝膠和商用Ag-AgCl電極在五個(gè)附著-剝離循環(huán)期間的電化學(xué)阻抗譜。（i） 在附著-剝離循環(huán)期間，EPAD水凝膠和商用Ag-AgCl電極在兩個(gè)代表性頻率（10和100 Hz）下的阻抗變化幅度。

圖4. EPAD水凝膠的生物相容性。（a） 基于MTT法的NIH/3T3細(xì)胞在培養(yǎng)1/3/5天后的體外細(xì)胞存活率。（b） 培養(yǎng)1/3/5天后NIH/3T3細(xì)胞的代表性共聚焦顯微鏡圖像。（c和d）對(duì)照組（c）和水凝膠組（d）在2周結(jié)束時(shí)H&E染色組織切片的代表性圖像。星號(hào)表示的皮下空洞對(duì)應(yīng)于植入部位。代表性組織用箭頭標(biāo)記，并放大至20倍。（e） 基于H&e染色載玻片的組織學(xué)評(píng)分。（f） 全血細(xì)胞計(jì)數(shù)的代表性結(jié)果。n=5只生物獨(dú)立的動(dòng)物。NS表示無(wú)顯著性（P<0.05；配對(duì)樣本t檢驗(yàn)）。Leu=白細(xì)胞；Lym=淋巴細(xì)胞；Neu=中性粒細(xì)胞；Mon=單核細(xì)胞；Eos=嗜酸性粒細(xì)胞；Bas=嗜堿性粒細(xì)胞。

圖5. 皮膚EMG和ECG監(jiān)測(cè)。（a）用于EMG和心電圖監(jiān)測(cè)的EPAD生物電子設(shè)備的圖像。（b）握拳（i）和不同手指的屈伸（ii）產(chǎn)生的EMG信號(hào)。（c） 心電圖通道設(shè)置示意圖。（d） 靜息和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下心電圖信號(hào)的信噪比分布。（e） 靜息（i）、蹲（ii）、劃船（iii）和步行（iv）產(chǎn)生的心電圖信號(hào)。

圖6. 用于ECoG記錄的基于EPAD的生物電子設(shè)備。（a） 裝置結(jié)構(gòu)的分解圖。（b） 用于ECoG采集的EPAD生物電子設(shè)備的光學(xué)圖像。（c） 放大查看封裝層的馬蹄形結(jié)構(gòu)。（d） 無(wú)機(jī)裝置的絕對(duì)高度圖。（e） d部分中沿白色虛線的厚度。（f）由粘性水凝膠保持的共形界面。（g） 裝置應(yīng)變分布的有限元分析。（h） ECoG監(jiān)控的一致性接口。

圖7. 運(yùn)動(dòng)大鼠的癲癇監(jiān)測(cè)。（a） 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵步驟。（b） 在自由活動(dòng)的大鼠體內(nèi)記錄ECoG。（c） ECoG監(jiān)測(cè)期間觀察到的癲癇行為：顫抖和點(diǎn)頭。在時(shí)頻域（d）和時(shí)域（e）對(duì)記錄的癲癇波進(jìn)行信號(hào)分析。ECoG監(jiān)測(cè)期間觀察到的代表性癲癇行為：點(diǎn)頭和跑步（f）；搖晃和墜落（g）。

來(lái)源：柔性傳感及器件