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(shí)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(shí)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(tuán)隊(duì)研究了一種模仿生物組織的超柔軟、超薄且機(jī)械性能增強(qiáng)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(jìn)一步增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)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(gè)性化健康監(jiān)測和精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的熱點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)大腦-計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)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)造出超薄（<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(jī)械性能的增強(qiáng)：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(shí)，展現(xiàn)出了約6 MPa的顯著拉伸強(qiáng)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(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)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(shí)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(jī)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(shí)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(dòng)可穿戴和植入式生物電子技術(shù)的進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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