近年来，柔性生物电子在电子皮肤、可穿戴设备和生物医学工程等领域的研究引起了研究人员的极大关注。水凝胶作为一种亲水的交联网络聚合物，由于其具有与生物组织相似的机械性能、高生物相容性、灵活可控的理化性能等优点，已在生物电子学领域中得到了广泛的研究。当前，站在生物医学工程、材料学、微电子学等多学科交叉研究的汇集点，如何根据现实生活的需求，将多学科交叉技术的方法移植到基础的科学研究中，设计出具有兼容、有效和稳定的水凝胶柔性生物电子系统成为了研究者关注的焦点。本期EFL为大家整理了水凝胶柔性生物电子领域相关的综述3篇和文献7篇，供大家参考和学习。
综述
1. Chemical Society Reviews（IF 54.564）特邀综述：水凝胶生物电子（2018.11.26）
这篇综述中，讨论了组织-电极相互作用的基本机制；水凝胶在与人体生物电接口方面的独特优势；水凝胶在生物电子学领域的最新进展；及合理设计未来水凝胶生物电子的指南。水凝胶生物电子学的进步将为生物学和电子学紧密结合带来前所未有的机遇，可能会模糊人与机器之间的界限。
https://doi.org/10.1039/C8CS00595H 2. Chemical Reviews（IF 60.622）：用于可拉伸生物电子器件的天然聚合物生物兼容导体（2021.1.18）这篇综述中，首先简要介绍了导电成分和天然聚合物，并总结了以蛋白质（丝）、多肽（明胶）和多糖（海藻酸钠）为代表的天然生物聚合物为基础的生物相容性导体的最新发展。概述了基于这些代表性生物聚合物的生物相容性导体的设计和制造策略。同时讨论了电子元件-生物聚合物界面和生物电子-生物组织（皮肤和内部组织）界面，重点介绍了用于软生物电子的生物相容性导体的各种制造技术，并列举了代表性可植入生物电子产品示例。最后，总结了设计用于软生物相容性导体和生物电子的天然生物聚合物的挑战和前景。https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00897 3. Advanced Materials（IF 30.849）：材料化学的最新进展推动柔性生物电子在医学中的应用（2021.11.9）这篇综述中，讨论了材料化学如何在基板和结构材料，封装和阻挡层，以及柔性和可拉伸导体这三个特定领域加速生物电子的进展。通过材料化学的视角，研究材料开发、工艺设计和柔性生物电子系统的实例。此外，还提出了该领域的新挑战、瓶颈和创新机遇。https://doi.org/10.1002/adma.2021067874. 用于长期电记录、光学显微镜和磁共振成像的硬膜下神经接口水凝胶组成：水凝胶-弹性体神经界面是用 PVA-人工脑脊液(ACSF) 水凝胶作为导电材料和PDMS作为介电外壳制造的特点：i) 柔软的、多模式的、硬膜下神经接口。ii) 水凝胶和弹性体的柔软性使界面能够顺应大脑的曲面。iii) 神经接口可以长时间（28天）收集电生理信号，免疫反应低，脑血管破坏轻微。功能：可实现同时进行电子记录和光学成像。局部场电位、脑血管图像和单细胞钙信号的同时收集。与金属电极不同，水凝胶界面不会产生MR中的伪影图像。该神经接口与神经生物学中的其他先进技术兼容，例如光遗传学刺激和功能性MRI；癫痫患者植入软电极通过MRI检查。该项研究成果以“Subdural neural interfaces for long-term electrical recording, optical microscopy and magnetic resonance imaging”为题于2021年12月30日在线发表在期刊《Biomaterials》上。https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.121352 水凝胶组成：多巴胺甲基丙烯酸酯杂化聚（3,4-乙烯二氧噻吩）纳米颗粒（dPEDOT NPs）；卡拉胶（CA）-聚多巴胺（PDA）-聚丙烯酰胺（PAM）特点：i) dPEDOT NPs在凝胶网络内部形成了一个动态的氧化还原活性系统，保持了足够的儿茶酚，赋予水凝胶对湿软生物组织的高生物粘附性，能够与微电路集成并无缝粘附到脑组织。ii) 与大脑水平相当的模量，可减少与脑组织的机械差异。iii) 免疫逃避能力，可积极防止植入后纤维组织包裹和神经炎症。功能：作为柔性导电界面，实现刚性微电路和柔软脑组织的无缝联接；具有主动免疫逃逸能力，可积极防止植入后纤维组织包裹和神经炎症，有助于实现BMI长期的和准确的脑电图信号采集和通信。该项研究成果以“Bioadhesive and conductive hydrogel-integrated brain-machine interfaces for conformal and immune-evasive contact with brain tissue”为题于2022年1月6日在线发表在期刊《Matter》上。https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00012-1 水凝胶组成：聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS），聚乙烯醇（PVA）和戊二（GA）组成的双网络导电聚合物水凝胶(PEDOT:PSS/PVA DN)特点：i) 提高体系电导率的关键在于提高PEDOT:PSS在双网络中的含量和均匀度。使用原位聚合和致密化方法：在PEDOT:PSS的最大浓度下，最小化PVA量，以实现前体凝胶中PEDOT:PSS与PVA的高质量比；随后用酸处理使其致密化，获得高PEDOT:PSS含量和高均匀性的DN水凝胶。ii) 具有高电导率（~10 S/cm）和优异的拉伸性（~150%）。iii) 在大鼠模型中，可粘附在肌肉上进行稳定和长期的体内肌电（EMG）信号记录。功能：克服了现有导电水凝胶在拉伸性和导电性方面的困境，开发了一种原位聚集和致密化方法，实现了可拉伸、高电导率和高拉伸性的导电水凝胶电极。这种导电水凝胶电极在变形下具有稳定的电化学性能、低细胞毒性和高生物相容性，可与大鼠股二头肌结合用于慢性EMG记录和电刺激坐骨神经。该项研究成果以“Highly Conducting and Stretchable Double-Network Hydrogel for Soft Bioelectronics”为题于2022年1月15日在线发表在期刊《Advanced Materials》上。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202200261 水凝胶组成：银纳米线/PVA水凝胶/三聚氰胺海绵(AgPHMS)半干脑电图电极特点：高柔韧性和可控释放电解质，能够将BCI系统的阻抗保持在 5-15 kΩ超过10 h。功能：AgPHMS电极在八通道BCI系统和基于mVEPs的精神控制打字实验中的成功应用。MVEP实验表明，准确度为77%-100%，高精度可以保持3 h以上，长期（>10 h）低阻抗优势。该项研究成果以“Ten-Hour Stable Noninvasive Brain-Computer Interface Realized by Semidry Hydrogel-Based Electrodes”为题于2022年3月10日在线发表在期刊《Research》上。https://doi.org/10.34133/2022/9830457 8. 高度可拉伸的水凝胶作为记录生理和脑神经信号的可穿戴和可植入传感器水凝胶组成：丙烯酰胺 (AAm)、甲基丙烯酸月桂酯 (LMA)。聚(N-异丙基丙烯酰胺)微凝胶：N-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸和N , N'-亚甲基双丙烯酰胺特点：微凝胶作为水凝胶网络中的大型交联中心, 具有先进的仿生化学力学性能。相对低的模量，与神经组织良好匹配的机械化学性质，优异的拉伸性和出色的抗疲劳性。功能：i) 基于凝胶的传感器可记录生理健康信号，例如运动、发声、心电图 (ECG) 和肌电图 (EMG)。ii) 基于凝胶的电极植入大鼠大脑的海马 CA1 区域以记录局部场电位 (LFP)，表现出更稳定的信号和更少的免疫化学排斥。iii) 凝胶制备的神经引导导管 (NGC)，以桥接受伤坐骨神经的两个远端残端，表现出优异的神经信号传输能力。该项研究成果以“Highly Stretchable Hydrogels as Wearable and Implantable Sensors for Recording Physiological and Brain Neural Signals”为题于2022年3月31日在线发表在期刊《Advanced Science》上。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202201059 特点：i) 受蜘蛛粘弹性表皮垫的启发，开发了一种非常规的带通滤波器材料—粘弹性明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器—以选择性地去除动态机械噪声伪影。ii)该阻尼器可吸收低于30 Hz的频率，而由于水凝胶中微弱网络键的暂时破坏，会传输较高的频率。功能：可用于检测脑电图和心电图等电生理信号，而不会受到患者行走或呼吸的干扰。粘弹性材料的选择性频率阻尼可最大限度地减少机械噪声，并能够在嘈杂的条件下检测具有高 SNR 的生物生理信号。与机械噪声中断后的信号处理相比，材料本身的选择性频率阻尼将更有效地获得清晰的信号。该项研究成果以“Cuticular pad–inspired selective frequency damper for nearly dynamic noise–free bioelectronics”为题于2022年5月5日在线发表在期刊《Science》上。https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abj9912 10. 激光诱导相分离对高导电水凝胶生物电子进行数字选择性转换和图案化水凝胶组成：聚 (3,4-乙烯二氧噻吩):聚 (苯乙烯磺酸盐) (PEDOT:PSS)；金纳米粒子（AuNP）特点：通过激光诱导的相分离为PEDOT:PSS水凝胶开发了一种以前未开发的超快和生物相容的数字图案化工艺。通过选择性激光扫描增强了PEDOT:PSS 的电性能和水稳定性，从而实现了PEDOT:PSS转变为水稳定的水凝胶。功能：i) 出色的体外和体内生物相容性。ii) PEDOT:PSS水凝胶在水中显示出670 S/cm的高电导率和6 μm的图纹分辨率。此外，即使在生理环境中6个月后，电化学性能仍保持不变。ii) 具有高空间分辨率的神经探针稳定记录来自小鼠脑切片的神经信号。此外，高导电电极阵列能够以低电压刺激小鼠的坐骨神经。 该项研究成果以“Digital selective transformation and patterning of highly conductive hydrogel bioelectronics by laser-induced phase separation”为题于2022年6月8日在线发表在期刊《Science Advances》上。https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo3209 围绕再生医学研究方向，EFL公众号建有“学术交流群”，扫描下方二维码加小编微信即可入群交流~