綜述：自愈合水凝膠生物電子器件研究進(jìn)展

近年來(lái)，軟生物電子技術(shù)迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的時(shí)代，因?yàn)樗趥€(gè)性化醫(yī)療監(jiān)測(cè)、護(hù)理點(diǎn)臨床診斷、假肢和人機(jī)界面等方面的應(yīng)用前景廣闊，將從根本上提高精確治療學(xué)的效率，并改變?nèi)伺c機(jī)器的交互方式：（1）柔軟、靈敏，可感知環(huán)境刺激的微小變化，如應(yīng)變（0.1%）和壓力（0.1%）；（2）柔韌、可拉伸（~1000%），可順應(yīng)性地附著于任何彎曲表面，如人體皮膚；（3）?。▇1 um）、輕（3 g/m2），可實(shí)現(xiàn)難以察覺(jué)的集成和隨時(shí)移動(dòng)。這些突出特點(diǎn)使軟生物電子器件能夠與人體和假肢無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理和生物信息的實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期和低成本傳感。迄今為止，已開(kāi)發(fā)出多種軟生物電子器件，包括電子皮膚、穿戴式傳感器、柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）、軟超級(jí)電容器和植入式電子器件。其應(yīng)用范圍很廣，從觸覺(jué)傳感、重要生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、生物標(biāo)志物檢測(cè)（如汗液、淚液和尿液）到體內(nèi)給藥、細(xì)胞操作以及神經(jīng)調(diào)控和治療。傳統(tǒng)器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的卓越功能已成功實(shí)現(xiàn)。例如，無(wú)電池表皮電子元件可用于無(wú)線、連續(xù)和實(shí)時(shí)測(cè)量脆弱新生兒的心電圖（ECG）和光敏血壓計(jì)（PPG）信號(hào)，與傳統(tǒng)的硬連線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，可大大減少對(duì)新生兒皮膚的傷害和對(duì)嬰兒自然活動(dòng)的限制。目前已發(fā)明了可植入的類組織電子元件，可與神經(jīng)組織適形連接，通過(guò)電刺激實(shí)現(xiàn)局部神經(jīng)調(diào)控。

盡管軟生物電子學(xué)正在為人類生活和社會(huì)帶來(lái)快速變革，但目前開(kāi)發(fā)的生物電子學(xué)大多基于紡織品等具有較大楊氏模量（通常為2 Mpa ~ 1 GPa）和非內(nèi)在生物相容性的材料，與人體皮膚或組織的機(jī)械不匹配以及嚴(yán)重的生物相容性問(wèn)題極大地阻礙了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。與這些材料相比，水凝膠是一種滲入大量水分（80 wt%）的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，因其具有模擬組織的楊氏模量、優(yōu)異的生物相容性與生物相似的離子導(dǎo)電性和多種刺激響應(yīng)性，已被廣泛認(rèn)為是開(kāi)發(fā)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域軟性穿戴式和植入式電子器件的理想材料。具體來(lái)說(shuō)，水凝膠的楊氏模量（~1 Pa至~1 MPa）與人體皮膚或組織的楊氏模量（~1 kPa至~100 kPa）接近，可使電子組織界面具有極佳的機(jī)械匹配性，有助于實(shí)現(xiàn)電子與生物的順應(yīng)性集成。其優(yōu)越的細(xì)胞外基質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)使軟生物電子器件具有類似原生組織的生理特性，即良好的細(xì)胞相容性和組織相容性可避免在長(zhǎng)期附著過(guò)程中出現(xiàn)意外的生物免疫反應(yīng)。同時(shí)，水凝膠的離子傳導(dǎo)機(jī)制使電子器件能夠與生物組織進(jìn)行便捷的電交流。因此，水凝膠電子器件可以在機(jī)械、電學(xué)和生物化學(xué)特性等各個(gè)方面完美地彌補(bǔ)人類與機(jī)器之間的差距，并實(shí)現(xiàn)下一代軟生物電子學(xué)的開(kāi)發(fā)。迄今為止，已開(kāi)發(fā)出多種基于水凝膠的軟生物電子器件，包括傳感器、顯示器、TENGs和植入式電極，可用于皮膚和植入式應(yīng)用。

盡管水凝膠在開(kāi)發(fā)穿戴式和植入式生物電子器件方面前景廣闊，但在臨床過(guò)渡和實(shí)際應(yīng)用之前，仍存在一些挑戰(zhàn)性問(wèn)題，需要加以解決。其中一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，由于水凝膠固有的楊氏模量較低，加上人體內(nèi)復(fù)雜的承載和動(dòng)態(tài)環(huán)境，水凝膠生物電子器件在使用過(guò)程中很容易損壞，這嚴(yán)重阻礙了其長(zhǎng)期可靠的應(yīng)用。例如，穿戴式電子器件不可避免地會(huì)受到來(lái)自外部環(huán)境的各種機(jī)械力的影響，如劃痕、磨損、撕裂和穿刺。在人體器官和關(guān)節(jié)頻繁而持續(xù)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如心臟的持續(xù)收縮和擴(kuò)張，植入式生物電子器件可能會(huì)受到超范圍拉伸、應(yīng)力疲勞和應(yīng)力引起的內(nèi)部微裂縫的破壞。

人的皮膚是一種復(fù)雜的感官系統(tǒng)，在受損時(shí)可以再生或修復(fù)，因此可以工作一百多年。受此啟發(fā)，研究人員致力于賦予水凝膠生物電子“自再生”或自修復(fù)“能力，以延長(zhǎng)其耐用性、可靠性和壽命。自愈能力在軟生物電子學(xué)中發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樗梢詮母旧峡朔浬镫娮訉W(xué)在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的結(jié)構(gòu)斷裂和功能失效或退化。其基本機(jī)理是，具有自愈合能力的水凝膠（SHHs）能夠在受損后重建斷裂的鍵，從而恢復(fù)其原有的機(jī)械、化學(xué)和電子特性。這種能力賦予了水凝膠軟生物電子學(xué)幾種顯著的功能：（1）使軟生物電子器件在受到破壞后能夠恢復(fù)其原有的結(jié)構(gòu)、功能和性能；（2）通過(guò)應(yīng)力消散效應(yīng)提高器件的機(jī)械耐久性，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期應(yīng)用，當(dāng)受到負(fù)載時(shí)，自愈合水凝膠中的可逆動(dòng)態(tài)鍵可作為犧牲鍵斷裂并消散累積的應(yīng)力和能量，從而減輕應(yīng)力集中和對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)載荷移除時(shí)，斷裂的可逆鍵可以重塑，恢復(fù)受損水凝膠的原始結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，從而抵御應(yīng)力引起的裂縫和應(yīng)力疲勞，提高器件的機(jī)械耐久性。（3）賦予軟生物電子器件形狀適應(yīng)能力，即通過(guò)自愈合水凝膠中可逆鏈接的斷裂和重構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)適應(yīng)各種組織或器官形狀。

近期，Advanced Materials期刊發(fā)表了題為“Self-healing Hydrogel Bioelectronics”的綜述，討論了自愈合水凝膠的最新進(jìn)展，從水凝膠材料的自愈合機(jī)理、材料化學(xué)和多種性能改進(jìn)策略，到各種基于水凝膠的生物電子器件的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用，包括穿戴式物理和生化傳感器、超級(jí)電容器、柔性顯示器件、摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）、植入式生物電子器件等。此外，還提出了阻礙自愈合水凝膠生物電子學(xué)發(fā)展的持續(xù)挑戰(zhàn)及其前景。該綜述有望加快自愈合水凝膠在各種自愈合生物電子學(xué)中的研究和應(yīng)用。香港大學(xué)張世明教授及西安交通大學(xué)趙立波教授、西北工業(yè)大學(xué)薛語(yǔ)萌教授為共同通訊作者。

自愈合水凝膠的原理圖及其在軟生物電子學(xué)中的潛在應(yīng)用

基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵相互作用的自愈合水凝膠

基于多種協(xié)同性相互作用的自愈合水凝膠

熱觸發(fā)自愈機(jī)制及制備的自愈合水凝膠

光觸發(fā)自愈機(jī)制及制備的自愈合水凝膠

在這篇綜述中，作者重點(diǎn)介紹了過(guò)去幾年在合成自愈合水凝膠及其應(yīng)用于開(kāi)發(fā)軟生物電子學(xué)方面所探索的最突出機(jī)制。目前已構(gòu)建出多種自愈機(jī)制，涉及自主和外部刺激響應(yīng)特性。利用這些機(jī)制，許多自愈合水凝膠得到了證實(shí)，它們?cè)谧杂?、恢?fù)速度、允許的自愈周期以及許多其他理化性能（如機(jī)械強(qiáng)度、伸展性、導(dǎo)電性、抗凍能力、保水性能等）方面都有顯著改善。這些自愈合水凝膠的應(yīng)用范圍很廣，從穿戴式傳感器、光學(xué)顯示器、超級(jí)電容器和TENG到植入式生物電子器件。機(jī)械損傷后出色的性能恢復(fù)能力已得到證實(shí)，從而大大提高了軟電子器件的可重復(fù)使用性和使用壽命。盡管已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步但大多數(shù)已開(kāi)發(fā)的自修復(fù)電子器件仍處于概念驗(yàn)證階段。在最終的工程應(yīng)用之前，還需要應(yīng)對(duì)巨大的挑戰(zhàn)。

（1）深入了解自愈合理論和性能評(píng)估。目前，大多數(shù)研究工作都集中在探索水凝膠可能的自愈合機(jī)制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其宏觀自愈合行為。目前還缺乏分子層面的自愈合動(dòng)力學(xué)理論分析或建模，無(wú)法說(shuō)明分子的類型、動(dòng)力學(xué)和濃度以及環(huán)境參數(shù)（如溫度、pH 值等）對(duì)動(dòng)態(tài)鍵的形成以及鍵能的影響。建立理論模型，從分子成分定量計(jì)算水凝膠的自愈合宏觀性能（例如自愈合效率、時(shí)間和周期）是可取的。這些模型不僅能預(yù)測(cè)給定條件下的自愈合性能，還能在機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的幫助下提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)策略，以滿足目標(biāo)容量要求。此外，構(gòu)建性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)表征方法也將有助于直接定量表征和驗(yàn)證水凝膠的自愈合性能。

（2）同時(shí)提高自愈合能力和其他所需的材料性能。在軟電子器件的實(shí)際應(yīng)用中，水凝膠不僅要具備自愈合能力，還要具備許多其他必要的性能，如機(jī)械強(qiáng)度、拉伸性、導(dǎo)電性等。然而，由于這些性能對(duì)材料組件設(shè)計(jì)的要求相互矛盾，因此在同時(shí)提高這些性能方面存在巨大挑戰(zhàn)。一個(gè)常見(jiàn)的挑戰(zhàn)是如何權(quán)衡自愈合水凝膠與機(jī)械性能（楊模量）之間的關(guān)系。具有高自愈合能力的水凝膠在環(huán)境溫度下很少有足夠的楊氏模量。這是因?yàn)楦邨钍夏Ａ啃枰焖俚亩魏玩渼?dòng)力學(xué)以及易于斷裂/交換的動(dòng)態(tài)鍵，而這通常是以低模量和弱動(dòng)態(tài)鍵的聚合物鏈為代價(jià)的。探索新策略來(lái)平衡包括自愈能力在內(nèi)的多種功能之間的矛盾，對(duì)于實(shí)現(xiàn)水凝膠的實(shí)際工程應(yīng)用至關(guān)重要。一個(gè)有前景的解決方案是利用結(jié)合了不同動(dòng)態(tài)鍵的復(fù)雜分子設(shè)計(jì)和具有特定形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（3）賦予自愈合水凝膠環(huán)境適應(yīng)能力。由于水凝膠具有富水和親水性，因此在環(huán)境溫度或更高溫度下容易脫水，在低溫下容易凍結(jié)，在水中容易膨脹。這些因素會(huì)降低水凝膠電子器件的穩(wěn)定性和可靠性，甚至導(dǎo)致器件失效。在確保自愈合性能的前提下，解決失水、凍結(jié)和膨脹問(wèn)題對(duì)自愈合水凝膠電子器件至關(guān)重要，這可以提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，如在低溫、水下等環(huán)境下。此外，具有可控降解性的自愈合水凝膠在開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型植入式自愈合軟器件方面也大有可為。

（4）開(kāi)發(fā)具有完全自愈能力的軟電子器件。盡管過(guò)去幾年中已經(jīng)展示了多種自愈合軟電子器件但很少有器件能實(shí)現(xiàn)整體自愈合，尤其是那些具有多層或多層結(jié)構(gòu)元件的器件，如電容式傳感器。要實(shí)現(xiàn)完整的自愈合水凝膠電子器件，器件結(jié)構(gòu)的每個(gè)元件層都應(yīng)具備自愈合能力。也就是說(shuō)，除了水凝膠外，器件結(jié)構(gòu)所需的許多其他材料也應(yīng)具有自愈合能力。此外，由于自愈合性能（速度、重復(fù)周期和條件）的不匹配，在器件愈合過(guò)程中克服功能失效引起的變形、剝離和錯(cuò)位更具挑戰(zhàn)性。針對(duì)這一問(wèn)題，應(yīng)大力構(gòu)建有效的策略。此外，不同層之間的界面粘附/粘合和界面自愈也有助于保持器件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性，并在損壞后實(shí)現(xiàn)全面的性能恢復(fù)。

（5）探索自愈合水凝膠電子器件的制造技術(shù)。制造技術(shù)是開(kāi)發(fā)自愈合水凝膠電子器件的關(guān)鍵。它彌補(bǔ)了器件概念與實(shí)際應(yīng)用之間的差距。目前，大多數(shù)基于自愈合水凝膠的電子器件都是用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的塊狀自愈合水凝膠制造的，而且圖案化和集成都是人工進(jìn)行的。當(dāng)務(wù)之急是探索能實(shí)現(xiàn)圖形圖案化、器件間一致性和集成制造的制造技術(shù)。在這方面，3D/4D打印、軟光刻、絲網(wǎng)印刷、直接墨水書寫和噴墨打印在制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和一致性能的自修復(fù)水凝膠電子器件方面具有巨大潛力。此外，微型化和可擴(kuò)展制造可縮小器件尺寸，實(shí)現(xiàn)高密度集成（使單個(gè)器件具有多種功能），并降低成本，而這正是自愈合軟電子器件所急需的。制造具有微/納米厚度和良好透氣性的自愈合水凝膠器件可提高用戶長(zhǎng)期使用的舒適度。

（6）賦予自愈合水凝膠生物電子學(xué)新功能，實(shí)現(xiàn)更廣泛和革命性的應(yīng)用。隨著基于自愈合水凝膠的柔性電子技術(shù)深入人類生活，需要不斷賦予其新的革命性功能，以拓展應(yīng)用范圍，創(chuàng)新現(xiàn)有應(yīng)用方式。例如，具有形狀記憶功能的自愈合水凝膠生物電子器件可以記憶復(fù)雜的形狀并在外部刺激下以可編程的方式恢復(fù)到初始形狀，可廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)、生物醫(yī)學(xué)器件和智能軟生物致動(dòng)器等需要器件結(jié)構(gòu)和性能具有可控激活能力的場(chǎng)合。自愈合水凝膠電子器件具有形狀可編輯和自粘附能力，可以保形粘附在所需形狀的組織或復(fù)雜器官表面，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期生理信息監(jiān)測(cè)，并進(jìn)一步應(yīng)用于人工神經(jīng)、腦機(jī)接口和腦疾病治療。此外，自愈合水凝膠電子器件還可以與自愈合超級(jí)電容器和自愈合TENGs集成，實(shí)現(xiàn)自供電，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。例如，集成的自愈式穿戴式傳感器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、長(zhǎng)期、穿戴式的醫(yī)療監(jiān)測(cè)，而這正是柔性電子技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。

一旦攻克了這些關(guān)鍵難題，通過(guò)合理地結(jié)合多種自修復(fù)機(jī)制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將有望構(gòu)建出具有卓越綜合性能的自修復(fù)水凝膠。自愈合水凝膠生物電子器件將能在成千上萬(wàn)次的損傷下完全恢復(fù)其性能，并同時(shí)具備許多其他優(yōu)異性能，如足夠的機(jī)械強(qiáng)度、高拉伸性、優(yōu)異的導(dǎo)電性、理想的穩(wěn)定性和可靠性等。隨著自愈合水凝膠生物電子學(xué)的快速發(fā)展，其在穿戴式生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、體內(nèi)給藥、組織工程支架、人體器官電生理信號(hào)傳感、傷口包扎、隱形眼鏡、神經(jīng)信號(hào)記錄與調(diào)控、重大神經(jīng)疾病治療等領(lǐng)域均已實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化或商業(yè)化。可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，自愈合水凝膠生物電子學(xué)將融入人類的日常生活，使人們的生活方式發(fā)生革命性的變化。