柔性电子的技术进步促进了生物电子器件朝向可穿戴/可植入、集成化和生物安全的方向发展。新的柔性材料或制备工艺在生物电子研发中将发挥革命性作用。导电水凝胶（Electroconductive Hydrogels, ECHs）因其可调节的导电性及类组织的生物和力学特性，在生物电子领域被广泛研究。ECHs能够与生物系统紧密结合并传输生理信号，是实现电子设备与生物组织无缝集成的重要材料，具有革新生物体与电子设备融合技术的潜力。
西北工业大学柔性电子研究院李鹏教授近日在FlexMat期刊上发表了题为“Electroconductive hydrogels for bioelectronics: Challenges and opportunities”的综述文章（DOI: 10.1002/flm2.31）。文章深入探讨了ECHs在生物电子领域的挑战和应用（图1），并对其未来研究前景进行了展望。
该综述系统地分析了ECHs在生物电子领域所面临的主要挑战，并针对这些挑战总结了一系列现行的解决策略，同时分析了ECHs组成与其性能之间的构效关系。作者在文中详细阐述了以下几点挑战：（1）ECHs与人体组织的拉伸性能匹配性差阻碍了其在穿戴/植入过程中的可靠性。水凝胶的低拉伸性通常归因于不均匀的化学交联网络和缺乏有效的能量耗散网络。为了解决该问题，作者归纳了构建刚性-柔性双网络水凝胶、引入可逆相互作用、填充纳米材料作为物理交联剂等策略，提供有效的能量耗散体系，从而提升ECHs的拉伸性能。（2）在干燥或低温环境中，ECHs的使用面临着水蒸发或冻结的问题。该问题本质上是由水凝胶材料中水的物理特性引起的。为避免ECHs网络中水分的快速蒸发并保持ECHs的性能，作者总结并分析了添加无机盐、构建有机水凝胶、建立疏水屏障以及使用亲水聚合物骨架等增强水凝胶保水能力的策略。ECHs的抗冻性也可以通过多种策略来提高，包括加入电解质作为防冻剂、引入离子液体、添加有机溶剂或者对聚合物网络进行接枝改性以防止冰核形成，从而在寒冷的温度下也能保证材料的功能。（3）生物电子设备在长期使用后易遭受损伤，导致其可靠性和耐用性降低。自愈性ECHs在应对材料机械损伤方面表现出巨大的潜力，其主要通过可逆的非共价相互作用或动态共价相互作用来实现自修复过程。此外，作者总结了水凝胶的两种自修复机制：一种涉及材料本身的主动行为，例如动态化学键等，另一种是对外部刺激（如热、光或酸碱度）做出被动响应，从而实现自修复过程。（4）ECHs与生物电子设备之间的界面不相容会导致设备信号强度低、信噪比差、动作错误，甚至器件失效。具有自粘特性的ECHs可以增强生物电子在信号传输中的稳定性和保真度。ECHs与生物组织的粘附取决于其界面处的化学键和分子间相互作用。生物组织中丰富的官能团，包括羧酸、硫醇、氨基和羟基等，为水凝胶粘附提供了足够的锚点。通过调整ECHs的组分和官能团，可以建立高强度的结合界面以有效匹配生物组织。（5）ECHs易受到微生物的污染进而导致严重的感染和炎症。抗菌ECHs可以避免感染造成的血管和组织损伤及生物电子设备的失效，其制备策略包括使用物理的方法将具有抗菌功能的物质掺杂在水凝胶网络中或者通过化学接枝/共聚制备抗菌聚合物网络。此外，响应性的抗菌策略可以降低材料本身的生物毒性，例如将光热剂或光敏剂分引入水凝胶中以实现光热或光动力抗菌。文章还介绍了ECHs在生物电子应用场景中展现出的机遇。在健康监测方面，ECHs能够通过不同的传感单元和原理实现对人体的生物、物理或化学信号的精准监测。并且由于其出色的生物相容性和可塑性，ECHs可以被制备成不同形状和尺寸，以满足复杂的监测要求和应用环境。在疾病治疗方面，ECHs具有优异的导电性和生物相容性，是在生物体和电子系统之间建立有效相互作用的理想介质。ECHs在电刺激治疗中作用显著，能够通过电场控制药物释放或促进细胞分化或增殖，在促进伤口愈合、药物控释、心脏或神经组织修复等场景取得了理想的治疗效果。在人机界面方面，ECHs能够弥合电子设备和神经组织之间的界面差异，降低组织对侵入电极的免疫反应。ECHs作为神经接口材料有望实现电子设备与神经系统的无缝集成，并推动人机界面开发的范式转变。展望未来，ECHs在提升生物安全性、功能开发及先进制造方面将继续发展，以满足更加复杂的生物电子应用需求，推动人类与电子设备的深度融合。这篇综述为生物电子的研究提供了参考，为进一步的材料优化与器件设计提供了方向建议。该论文的第一作者为西北工业大学柔性电子研究院2021级博士研究生刘念。论文得到了国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金、西北工业大学博士论文创新基金以国家博士后创新人才支持计划的资助。
作者简介：
李鹏教授，本文通讯作者，2006年本科毕业于天津大学，2013年博士毕业于新加坡南洋理工大学，现任西北工业大学柔性电子研究院副院长、柔性电子前沿科学中心副主任，研究方向为生物材料与柔性器件。近年来以第一/通讯作者在Nature Materials, Science Advances, Advanced Materials，npj Flexible Electronics, ACS Nano等国际一流期刊发表论文120余篇，申获WIPO国际专利、中国专利多项。入选陕西省人才计划青年学者（2018）、“陕西青年科技新星”（2019）、“陕西省杰青”（2023）。担任陕西省柔性电子学会副秘书长，全国卫生产业协会疝和腹壁外科产业及临床研究协会第13分会副主任委员，中国生物材料学会生物医用高分子、表界面工程分会、康复器械与生物材料分会委员。担任2019年全国高分子学术论文报告会副秘书长，2021年全国高分子学术论文报告会、2021-2023年国际材料联合会前沿材料会议分会主席，担任J. Mater. Sci. Technol.客座编辑，Flex. Mater.、Smart Mater. Med.期刊编委，Sci. China Mater.青年编委。
刘念，本文第一作者，西北工业大学柔性电子研究院2021级博士研究生，研究方向为可穿戴精准光动力治疗材料与器件。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/flm2.31
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