可拉伸生物电子遇难题，水凝胶如何来化解？
可拉伸生物电子遇难题，水凝胶如何来化解？
可拉伸生物电子设备在生物医学领域具有巨大潜力，但其性能受限于材料和界面问题。近期发表在《Science Advances》上的一项研究提出了一种创新解决方案，通过化学键合的均匀导电水凝胶来克服这些挑战，为高性能软生物电子设备的发展开辟了新途径。
研究背景与挑战
柔性和可拉伸生物电子设备在生物集成领域展现出巨大潜力，但面临诸多挑战。多数设备使用高模量材料，如聚合物薄膜、金属和氧化物薄膜，这些材料在局部与粗糙器官表面接触时呈非共形状态，产生高接触阻抗，尤其在动态环境下，严重限制了设备性能。
水凝胶虽具有组织般柔软和富水特性，可导电，有望解决这些问题，但其作为接口介质时，在电性能、材料均匀性及与可拉伸设备集成方面存在困难。例如，普通水凝胶导电性差，添加导电材料虽可改善但会影响均匀性；水凝胶的高含水量使其与设备表面整合不可靠，影响设备性能和规模化生产。
研究策略与成果
导电水凝胶的合成与性能优化
研究人员提出合成一种特殊的水凝胶。先在聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶中掺入低浓度（3.3wt%）的聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS），形成PEDOT:PSS-PAAm水凝胶，此时PEDOT:PSS颗粒分散在PAAm水凝胶基质中。再用聚苯胺（PANi）对其进行修饰，得到PEDOT:PSS-PANi-PAAm水凝胶，该水凝胶通过建立三维导电通路，实现了快速电子传导。
实验表明，PEDOT:PSS-PANi-PAAm水凝胶具有极低阻抗（约21.2至22.9欧姆）和较高电导率（约24S/cm）。这种性能提升源于分子间相互作用。PANi功能化过程中，HCl使PEDOT:PSS发生二次掺杂，改变其结构；PANi分子沿掺杂的PEDOT:PSS网络合成，二者通过π-π和库仑相互作用，使水凝胶结构更均匀，从而协同提高了导电性。
此外，导电聚合物如PEDOT:PSS和PANi具有pH依赖性，该水凝胶的导电性在酸性条件下因掺杂H⁺而增加，pH升高时导电性降低，这一特性可用于不同器官的pH传感。
导电水凝胶与设备的粘附策略
为实现导电水凝胶与可拉伸设备的可靠粘附，采用了多种策略。首先，在电极和PU井表面进行化学修饰，形成化学锚定基团，增强共价键。电极由Cr/Au/Ti三层薄膜组成，Ti表面经处理后可形成稳定的功能基团。
然后，在PU井内原位聚合水凝胶，使其与电极和PU井表面牢固结合。实验证明，这种方法显著提高了水凝胶的粘附性能。最后，用氢键剂单宁酸（TA）处理水凝胶，增强能量耗散，进一步提高粘附性能。
可拉伸生物电子设备的制造与应用
可拉伸生物电子设备的制造过程包括多个步骤。首先制造可拉伸电极，在晶圆上形成PI层，通过光刻、蒸镀和剥离工艺定义电极图案，再用环氧树脂封装并转移到PU基底上。接着制备弹性PU井，通过激光切割模具、涂覆PUA、紫外线照射等步骤完成。
制造出的可拉伸多通道传感器阵列用于体外和体内阻抗及pH测量。单元电池由导电水凝胶和Ag/AgCl电极组成，通过蛇形可拉伸互连线连接。
在体外测量实验中，制备了不同离子浓度和pH值的人工组织，将传感器阵列附着在上面进行测量。测量结果显示，该设备能够准确测量阻抗和pH值。在体内测量实验中，通过皮肤烧伤模型测量大鼠皮肤阻抗，发现烧伤后阻抗增加；将pH传感器放置在大鼠胃内测量胃液pH，测量结果与pH2缓冲溶液的电位相当。
研究意义与展望
本研究提出的策略通过合成特殊导电水凝胶并建立其与可拉伸生物电子设备的可靠粘附，成功制造出可用于体外和体内测量的传感器阵列，克服了现有技术在电性能、材料均匀性和设备集成方面的挑战，为高性能软生物电子设备的发展提供了新的机遇，有望在生物医学领域得到更广泛的应用。
参考文献：
Yoonsoo Shin et al. Low-impedance tissue-device interface using homogeneously conductive hydrogels chemically bonded to stretchable bioelectronics. Sci. Adv.10,eadi7724(2024).