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  柔性電子的技術進步促進了生物電子器件朝向可穿戴/可植入、集成化和生物安全的方向發展。新的柔性材料或制備工藝在生物電子研發中將發揮革命性作用。導電水凝膠（Electroconductive Hydrogels, ECHs）因其可調節的導電性及類組織的生物和力學特性，在生物電子領域被廣泛研究。ECHs能夠與生物系統緊密結合并傳輸生理信號，是實現電子設備與生物組織無縫集成的重要材料，具有革新生物體與電子設備融合技術的潛力。

  西北工業大學柔性電子研究院李鵬教授近日在FlexMat期刊上發表了題為“Electroconductive hydrogels for bioelectronics: Challenges and opportunities”的綜述文章（DOI: 10.1002/flm2.31）。文章深入探討了ECHs在生物電子領域的挑戰和應用（圖1），并對其未來研究前景進行了展望。

圖1 ECHs在生物電子中的挑戰和應用

  該綜述系統地分析了ECHs在生物電子領域所面臨的主要挑戰，并針對這些挑戰總結了一系列現行的解決策略，同時分析了ECHs組成與其性能之間的構效關系。作者在文中詳細闡述了以下幾點挑戰：

  （1）ECHs與人體組織的拉伸性能匹配性差阻礙了其在穿戴/植入過程中的可靠性。水凝膠的低拉伸性通常歸因于不均勻的化學交聯網絡和缺乏有效的能量耗散網絡。為了解決該問題，作者歸納了構建剛性-柔性雙網絡水凝膠、引入可逆相互作用、填充納米材料作為物理交聯劑等策略，提供有效的能量耗散體系，從而提升ECHs的拉伸性能。

  （2）在干燥或低溫環境中，ECHs的使用面臨著水蒸發或凍結的問題。該問題本質上是由水凝膠材料中水的物理特性引起的。為避免ECHs網絡中水分的快速蒸發并保持ECHs的性能，作者總結并分析了添加無機鹽、構建有機水凝膠、建立疏水屏障以及使用親水聚合物骨架等增強水凝膠保水能力的策略。ECHs的抗凍性也可以通過多種策略來提高，包括加入電解質作為防凍劑、引入離子液體、添加有機溶劑或者對聚合物網絡進行接枝改性以防止冰核形成，從而在寒冷的溫度下也能保證材料的功能。

  （3）生物電子設備在長期使用后易遭受損傷，導致其可靠性和耐用性降低。自愈性ECHs在應對材料機械損傷方面表現出巨大的潛力，其主要通過可逆的非共價相互作用或動態共價相互作用來實現自修復過程。此外，作者總結了水凝膠的兩種自修復機制：一種涉及材料本身的主動行為，例如動態化學鍵等，另一種是對外部刺激（如熱、光或酸堿度）做出被動響應，從而實現自修復過程。

  （4）ECHs與生物電子設備之間的界面不相容會導致設備信號強度低、信噪比差、動作錯誤，甚至器件失效。具有自粘特性的ECHs可以增強生物電子在信號傳輸中的穩定性和保真度。ECHs與生物組織的粘附取決于其界面處的化學鍵和分子間相互作用。生物組織中豐富的官能團，包括羧酸、硫醇、氨基和羥基等，為水凝膠粘附提供了足夠的錨點。通過調整ECHs的組分和官能團，可以建立高強度的結合界面以有效匹配生物組織。

  （5）ECHs易受到微生物的污染進而導致嚴重的感染和炎癥。抗菌ECHs可以避免感染造成的血管和組織損傷及生物電子設備的失效，其制備策略包括使用物理的方法將具有抗菌功能的物質摻雜在水凝膠網絡中或者通過化學接枝/共聚制備抗菌聚合物網絡。此外，響應性的抗菌策略可以降低材料本身的生物毒性，例如將光熱劑或光敏劑分引入水凝膠中以實現光熱或光動力抗菌。

  文章還介紹了ECHs在生物電子應用場景中展現出的機遇。在健康監測方面，ECHs能夠通過不同的傳感單元和原理實現對人體的生物、物理或化學信號的精準監測。并且由于其出色的生物相容性和可塑性，ECHs可以被制備成不同形狀和尺寸，以滿足復雜的監測要求和應用環境。在疾病治療方面，ECHs具有優異的導電性和生物相容性，是在生物體和電子系統之間建立有效相互作用的理想介質。ECHs在電刺激治療中作用顯著，能夠通過電場控制藥物釋放或促進細胞分化或增殖，在促進傷口愈合、藥物控釋、心臟或神經組織修復等場景取得了理想的治療效果。在人機界面方面，ECHs能夠彌合電子設備和神經組織之間的界面差異，降低組織對侵入電極的免疫反應。ECHs作為神經接口材料有望實現電子設備與神經系統的無縫集成，并推動人機界面開發的范式轉變。

作者簡介：

李鵬教授，本文通訊作者，2006年本科畢業于天津大學，2013年博士畢業于新加坡南洋理工大學，現任西北工業大學柔性電子研究院副院長、柔性電子前沿科學中心副主任，研究方向為生物材料與柔性器件。近年來以第一/通訊作者在Nature Materials, Science Advances, Advanced Materials，npj Flexible Electronics, ACS Nano等國際一流期刊發表論文120余篇，申獲WIPO國際專利、中國專利多項。入選陜西省人才計劃青年學者（2018）、“陜西青年科技新星”（2019）、“陜西省杰青”（2023）。擔任陜西省柔性電子學會副秘書長，全國衛生產業協會疝和腹壁外科產業及臨床研究協會第13分會副主任委員，中國生物材料學會生物醫用高分子、表界面工程分會、康復器械與生物材料分會委員。擔任2019年全國高分子學術論文報告會副秘書長，2021年全國高分子學術論文報告會、2021-2023年國際材料聯合會前沿材料會議分會主席，擔任J. Mater. Sci. Technol.客座編輯，Flex. Mater.、Smart Mater. Med.期刊編委，Sci. China Mater.青年編委。

劉念，本文第一作者，西北工業大學柔性電子研究院2021級博士研究生，研究方向為可穿戴精準光動力治療材料與器件。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/flm2.31