MIT赵选贺团队定义《水凝胶生物电子学》

人体器官（例如大脑、脊髓、心脏、肌肉、皮肤等）大多是由水凝胶组成的——柔软多水有生物活性。现代电器 （例如电脑、手机、机器人、传感器、电极等）大多是由金属、硅、陶瓷、玻璃、塑料等组成的——坚硬干燥无生命。人体与各种电器的交互和融合是现今科学技术发展的最前沿问题之一。长期稳定高效的人机界面有可能带来对人体和生命前所未有的理解；同时影响着我们每个人的健康、学习、工作、生活、社会安全；以及推动AI （通过理解人脑）、机器人 、大数据等各个领域的发展。然而，人体器官和传统电器在材料上有着截然不同甚至互相矛盾的特性， 为实现长期稳定的人机界面提出了重大挑战。

水凝胶具有与人体各个器官相似的力学和生理学特性；兼具电学、力学、生物功能的可控性和多样性。近日，麻省理工学院机械工程系赵选贺教授团队在英国皇家化学会Chemical Society Reviews上发表题为《水凝胶生物电子学》（Hydrogel Bioelectronics）的特邀综述，首次提出水凝胶是人机界面的最理想载体之一，系统定义了水凝胶生物电子学的基本原理和材料设计原则，给出了现有的水凝胶电子材料的例子，并建议了水凝胶生物电子学未来发展的方向。

综述首先定量地介绍了生物组织和电极间相互作用的基本机制，从不同尺度上系统阐述了生物电信号的刺激和记录过程，并推导出了相应的控制方程式，同时指出了生物力学相互作用对各种电极性能及稳定性等方面的影响。基于这些理论基础，系统给出了下一代生物电子材料及设备的设计指导原则及各种性能参数要求。

在此基础上，作者分析得出结论：与传统材料相比，水凝胶具有独特的力学、电学及生物学优势，是人机界面的最理想载体之一。然后作者从水凝胶作为涂层和器件封装层、离子导电水凝胶、导电纳米复合水凝胶、导电聚合物水凝胶四个方面展开，详细介绍了不同水凝胶电子材料应用于生物电子领域的最新研究进展。

水凝胶与器件及生物组织之间的界面结合问题直接影响生物电子设备的构筑、性能及稳定性。基于此，作者从水凝胶界面的粘附性、水凝胶失水以及加工制作工艺三个方面论述了水凝胶生物电子应用中存在的工程问题及最新进展，并提出了相应的解决方案。

基于当前该领域面临的机遇和挑战，作者建议了一系列水凝胶生物电子学未来发展的方向。在基础材料方面，虽然水凝胶的力学性能和生物相容性已接近于天然生物组织，但其电学性能仍待进一步提高；同时新功能如可生物降解、自愈合等性能的引入有望进一步拓宽各种设备的可操作性及应用范围。在器件集成方面，水凝胶与各种生物电子设备和生物组织的界面组装及集成也有望成为未来发展的方向。在加工制作技术方面，水凝胶生物电子学常用的喷墨打印和3D打印等先进制造技术已经成功应用于离子导电水凝胶的加工，进一步拓宽此类技术的应用范围并探索与新材料匹配的加工技术将是未来发展的一个重要方向。最后作者指出，水凝胶生物电子学是一个新兴交叉学科研究领域，所面临的开放性挑战很多，研究空间非常大。通过各学科领域学者的共同努力，可以预见水凝胶生物电子学的研究进展有希望推动人机界面的完美融合。

MIT博士生Hyunwoo Yuk和博士后卢宝阳（江西科技师范大学副教授）为该论文共同第一作者，赵选贺教授为通讯作者。

赵选贺教授课题组最新进展一览

（http://web.mit.edu/zhaox/www/ ）

长期推动软材料和人机界面科技前沿的发展。最近的成果包括：

机理与方法研究

• 首次系统阐述多种水凝胶增韧（high toughness）的机理 Soft Matter, 10, 672 (2014) 

全文链接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/SM/C3SM52272E#!divAbstract

• 首次提出水凝胶超韧粘结 （tough adhesion）的机理并实现与各种材料的超韧粘结 Nature Materials, 15, 190 (2016)

全文链接：

https://www.nature.com/articles/nmat4463

• 首次系统阐述水凝胶增强 (high strength) 的机理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)

全文链接：

https://www.pnas.org/content/114/31/8138

• 首次提出水凝胶抗疲劳 （anti-fatigue）的机理并实现超高抗疲劳水凝胶 Science Advances, in press

• 首次定义水凝胶生物电子学 （hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, DOI: 10.1039/c8cs00595h

文章链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/cs/c8cs00595h

• 首次提出3D打印超韧超弹水凝胶的方法并打印各种载细胞的超韧超弹水凝胶结构 Advance Materials, 27, 4035 (2015)

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.201501099

• 首次提出坚韧水凝胶高弹体聚合物（hydrogel-elastomer hybrid）并实现不干水凝胶 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

文章链接：

https://www.nature.com/articles/ncomms12028

• 首次提出3D打印铁磁软材料和软机器 Nature, 558, 274 (2018)

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0185-0

应用研究

• 首次提出并实现可拉伸水凝胶电子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201504152

• 首次实现液压水凝胶驱动器和机器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)

全文链接：

https://www.nature.com/articles/ncomms14230

• 首次实现超拉伸水凝胶光纤 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201603160

• 首次实现各种医疗仪器上的超韧水凝胶涂层 Advanced Healthcare Materials, DOI: 10.1002/adhm.201700520

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.201700520

• 首次提出并实现可拉伸生命器件 （stretchable living device） Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 2200 (2017)

全文链接：

http://www.pnas.org/content/114/9/2200.short

• 首次应用力学失稳得到人工粘膜 Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 7503 (2018)

全文链接：

https://www.pnas.org/content/115/29/7503.short

来源：高分子科学前沿

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