全球每年有數(shù)百萬臺電子醫(yī)療設(shè)備植入到人體中，其中包括心臟起搏器，人工耳蝸和神經(jīng)電刺激設(shè)備等。醫(yī)生通常通過手術(shù)縫合的方式實現(xiàn)電子設(shè)備與組織的連接和集成。手術(shù)縫合需要精密的操作，但是仍然難以避免組織創(chuàng)傷，炎癥反應(yīng)，結(jié)疤，且難以實現(xiàn)連續(xù)貼合的界面。目前美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準的電子設(shè)備大多與心臟或者神經(jīng)組織集成，動態(tài)或柔軟脆弱的組織特點使手術(shù)縫合更加困難。同時，現(xiàn)有的柔性電子器件通過范德華力或毛細作用實現(xiàn)集成。但是通常難以實現(xiàn)動態(tài)組織的長期集成。因此，亟待研發(fā)一種可靠的方法來實現(xiàn)體內(nèi)組織與電子器件的有效集成。

南方科技大學(xué)郭傳飛教授團隊和麻省理工學(xué)院研究團隊共同在今天發(fā)表的Nature Materials的文章中首次提出可粘附生物電子（Bioadhesive Electronics）的概念，并通過生物粘性電子界面（E-bioadhesive interface）來實現(xiàn)（圖1）。生物粘性電子界面能夠快速將電子設(shè)備與各種體內(nèi)組織進行有效粘合，實現(xiàn)長期穩(wěn)定的雙向電信號的傳導(dǎo)。并且具有與組織相匹配的高柔韌性和高生物相容性。活體動物實驗證明了生物粘性電子界面有望發(fā)展成為一類普適性的方法，快速穩(wěn)定的將電子醫(yī)療設(shè)備與人體組織進行功能性集成。此外，生物粘性電子界面能通過外界刺激脫粘附，實現(xiàn)植入設(shè)備的無創(chuàng)取回。

圖1：生物組織與植入設(shè)備的集成方法。a 物理附著；b 手術(shù)縫合；c 生物粘性導(dǎo)電界面。 2020年9月28日，論文以“Electrical bioadhesive interface for bioelectronics”為題發(fā)表在Nature Materials雜志上 生物粘性電子界面的作用機理與性能

要實現(xiàn)長期穩(wěn)定有效的人機電子界面，需要解決當前的材料和方法的幾個主要的弊端：1）現(xiàn)有導(dǎo)電界面材料難以實現(xiàn)在濕潤動態(tài)的體內(nèi)環(huán)境中與組織或器官長期穩(wěn)定集成；2）現(xiàn)有生物粘性材料在濕潤環(huán)境中易溶脹，難以保持穩(wěn)定的電學(xué)性能和與植入設(shè)備的粘附；3）不可降解的植入設(shè)備的取回往往需要二次手術(shù)，且伴有嚴重的組織創(chuàng)傷。

圖2：生物粘性導(dǎo)電界面交聯(lián)機理

圖3：生物粘性導(dǎo)電界面的粘附性能 針對上述弊端，設(shè)計出生物粘性電子界面，使其具有高柔韌性和高吸濕性的聚丙烯酸-聚乙烯醇交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。當接觸組織表面時，可以迅速吸收表面水分，同時通過物理交聯(lián)（氫鍵和靜電作用）瞬間（< 5 s）與組織進行粘合；隨后預(yù)先接枝在聚丙烯酸網(wǎng)絡(luò)上的NHS基團與組織或器件表面的氨基形成化學(xué)交聯(lián)（圖2）。生物粘性電子界面不但適用于心臟、皮膚、肌肉、神經(jīng)組織等各類組織或器官，而且能夠廣泛應(yīng)用于硅、聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚甲基硅氧烷等構(gòu)建器件的常用材料（圖3）。例如在濕潤動態(tài)的心臟組織表面，生物粘性電子界面能夠?qū)崿F(xiàn)高達110 kPa的剪切強度和420 J m-2的粘接韌性。 ?

圖4：生物粘性導(dǎo)電界面的性能。a各向異性溶脹；b 導(dǎo)電性。 此外，設(shè)計引入了還原氧化石墨烯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。由于石墨烯網(wǎng)絡(luò)的引入，一方面使其具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性和電子注入容量，保證了電子器件與生物組織的雙向電信號傳導(dǎo)。另一方面，使干燥的生物粘性電子界面在與濕潤組織粘合時，僅在垂直平面方向上吸水溶脹，保證了植入電子設(shè)備與生物組織長期穩(wěn)定的粘合（圖4）。同時，為了實現(xiàn)刺激脫粘附，進一步在高分子網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計引入了二硫鍵。通過引入生物相容性的碳酸氫鈉和谷胱甘肽混合水溶液，能夠分別破壞與組織表面的物理和化學(xué)交聯(lián)，實現(xiàn)脫粘附和植入設(shè)備的無創(chuàng)取回。 生物粘性導(dǎo)電界面的應(yīng)用

通過生物粘性導(dǎo)電界面，將柔性電極貼附在活體小鼠的心臟表面，能夠穩(wěn)定檢測心外膜心電信號長達兩周 （圖5）。并且能夠通過刺激脫粘附的方式，將電極從心臟表面無創(chuàng)取回。該方法簡單高效，避免了縫合造成的的組織損傷，心律不齊等并發(fā)癥。通過免疫組化和免疫熒光等多種方法進行分析，驗證了生物粘性導(dǎo)電界面材料具有與FDA批準的金電極相當?shù)纳锵嗳菪浴?

圖5：生物粘性導(dǎo)電界面用于長期心外膜心電信號檢測 展望

生物粘性導(dǎo)電界面的提出，實現(xiàn)了生物電子設(shè)備與多種體內(nèi)組織的高強度粘合，雙向電生理信號的傳導(dǎo)以及無創(chuàng)的脫粘附。相較于傳統(tǒng)的手術(shù)縫合和物理貼合等集成方式，具有巨大的潛力。本文提出的材料，方法和概念，不但解決了長期以來生物組織與植入設(shè)備在集成方法上的困難和挑戰(zhàn)，同時也為一系列生物可粘附電子器件的發(fā)展和人機融合交互的方式提供了新的機遇和思路。

責任編輯：xj

原文標題：今日Nature Materials: 生物粘性電子界面，實現(xiàn)穩(wěn)定高效人機界面交互

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