在醫(yī)學和生物電子領域，與人體組織緊密結合的柔性傳感器對于監(jiān)測健康狀況和實現(xiàn)精準醫(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用。

針對這一挑戰(zhàn)，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張珽研究員團隊研究了一種模仿生物組織的超柔軟、超薄且機械性能增強的微纖維復合水凝膠材料，此材料不僅厚度小于5微米，還通過嵌入電紡纖維網(wǎng)絡進一步增強了機械強度，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備成為個性化健康監(jiān)測和精準醫(yī)療領域的熱點。這些設備通過檢測生物信號、監(jiān)控健康狀況、刺激神經(jīng)、實現(xiàn)大腦-計算機接口等功能，展現(xiàn)了廣泛的應用潛力。

然而，傳統(tǒng)的基于金屬、陶瓷和塑料的電子設備與人體軟組織在機械性能上存在明顯差異，導致了組織-電極界面在力學、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械性能和高度生物相容性的新型材料成為該領域的重要研究方向。

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)絡嵌入水凝膠中，構造出超薄（<5微米）的微纖維復合水凝膠薄膜。這種復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的力學性能

此外，通過添加甘油和鹽離子，復合水凝膠展現(xiàn)出了高離子導電性和顯著的抗脫水行為，使其在構建貼附型柔性生物電子設備以監(jiān)測生物信號方面顯示出巨大的應用潛力。

研究成果

機械性能的增強：通過嵌入電紡微纖維網(wǎng)絡，復合水凝膠在維持超薄配置的同時，展現(xiàn)出了約6 MPa的顯著拉伸強度和抗撕裂性能。

高度的生物相容性：復合水凝膠的模量可通過調(diào)整其成分在寬范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)與人體各種生物組織和器官的力學匹配，降低了組織損傷和提高了設備性能。

抗脫水和高離子導電性：添加的甘油和鹽離子賦予了復合水凝膠出色的抗脫水能力和高離子導電性，為長時間監(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、精準醫(yī)療和智能穿戴設備等領域具有廣闊的應用前景。未來，基于這種復合水凝膠的生物電子設備可以實現(xiàn)更為精準的生物信號監(jiān)測和高效的治療干預，推動可穿戴和植入式生物電子技術的進一步發(fā)展。

通過將電紡技術與旋轉涂布方法相結合，本研究成功制備了具有定制厚度和機械性能的微纖維復合水凝膠薄膜，不僅在物理化學性質上與自然生物組織相似，而且在機械彈性、離子導電性等方面均展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這種創(chuàng)新的復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械匹配問題提供了新的思路，為未來的生物醫(yī)學研究和應用開辟了新的道路。

原文鏈接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-023-01096-4