超柔软、超薄微纤维复合水凝胶开启柔性生物电子新时代

在医学和生物电子领域，与人体组织紧密结合的柔性传感器对于监测健康状况和实现精准医疗具有重要意义。传统的生物电子材料由于硬度高、与生物组织匹配度差等因素，往往无法实现与人体柔软组织的无缝连接，这限制了其在长期监测和高灵敏度传感中的应用。

针对这一挑战，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽研究员团队研究了一种模仿生物组织的超柔软、超薄且机械性能增强的微纤维复合水凝胶材料，此材料不仅厚度小于5微米，还通过嵌入电纺纤维网络进一步增强了机械强度，为柔性生物电子的发展提供了新的解决方案。该成果发表在了Springer Link期刊上，标题为《Biological Tissue-Inspired Ultrasoft, Ultrathin, and Mechanically Enhanced Microfiber Composite Hydrogel for Flexible Bioelectronics》。

背景

近年来，可穿戴和植入式生物电子设备成为个性化健康监测和精准医疗领域的热点。这些设备通过检测生物信号、监控健康状况、刺激神经、实现大脑-计算机接口等功能，展现了广泛的应用潜力。

然而，传统的基于金属、陶瓷和塑料的电子设备与人体软组织在机械性能上存在明显差异，导致了组织-电极界面在力学、生物信号传输和生物相容性方面的不匹配。因此，开发与人体组织具有相似机械性能和高度生物相容性的新型材料成为该领域的重要研究方向。

研究创新

本文提出了一种新策略，通过将电纺微纤维网络嵌入水凝胶中，构造出超薄（<5微米）的微纤维复合水凝胶薄膜。这种复合水凝胶薄膜不仅具有与大多数生物组织和器官匹配的可调节模量（从约5 kPa到数十MPa），而且其超薄配置和超柔软特性使其能够无缝贴合于各种粗糙表面。

聚乙烯醇/MF-CH的力学性能

此外，通过添加甘油和盐离子，复合水凝胶展现出了高离子导电性和显著的抗脱水行为，使其在构建贴附型柔性生物电子设备以监测生物信号方面显示出巨大的应用潜力。

研究成果

机械性能的增强：通过嵌入电纺微纤维网络，复合水凝胶在维持超薄配置的同时，展现出了约6 MPa的显著拉伸强度和抗撕裂性能。

高度的生物相容性：复合水凝胶的模量可通过调整其成分在宽范围内进行调节，实现与人体各种生物组织和器官的力学匹配，降低了组织损伤和提高了设备性能。

抗脱水和高离子导电性：添加的甘油和盐离子赋予了复合水凝胶出色的抗脱水能力和高离子导电性，为长时间监测生物信号提供了可能。

未来展望

本研究开发的超柔软、超薄的微纤维复合水凝胶为柔性生物电子的发展提供了新的材料平台。其出色的机械性能、高度的生物相容性和优异的功能性使其在健康监测、精准医疗和智能穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。未来，基于这种复合水凝胶的生物电子设备可以实现更为精准的生物信号监测和高效的治疗干预，推动可穿戴和植入式生物电子技术的进一步发展。

通过将电纺技术与旋转涂布方法相结合，本研究成功制备了具有定制厚度和机械性能的微纤维复合水凝胶薄膜，不仅在物理化学性质上与自然生物组织相似，而且在机械弹性、离子导电性等方面均展现出优异的性能。这种创新的复合水凝胶材料的开发，为解决柔性生物电子与人体软组织之间的机械匹配问题提供了新的思路，为未来的生物医学研究和应用开辟了新的道路。

原文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01096-4