今日Nature Materials: 生物粘性电子界面，实现稳定高效人机界面交互

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全球每年有数百万台电子医疗设备植入到人体中，其中包括心脏起搏器，人工耳蜗和神经电刺激设备等。医生通常通过手术缝合的方式实现电子设备与组织的连接和集成。手术缝合需要精密的操作，但是仍然难以避免组织创伤，炎症反应，结疤，且难以实现连续贴合的界面。目前美国食品药品监督管理局（FDA）批准的电子设备大多与心脏或者神经组织集成，动态或柔软脆弱的组织特点使手术缝合更加困难。同时，现有的柔性电子器件通过范德华力或毛细作用实现集成。但是通常难以实现动态组织的长期集成。因此，亟待研发一种可靠的方法来实现体内组织与电子器件的有效集成。

南方科技大学郭传飞教授团队和麻省理工学院研究团队共同在今天发表的Nature Materials的文章中首次提出可粘附生物电子（Bioadhesive Electronics）的概念，并通过生物粘性电子界面（E-bioadhesive interface）来实现（图1）。生物粘性电子界面能够快速将电子设备与各种体内组织进行有效粘合，实现长期稳定的双向电信号的传导。并且具有与组织相匹配的高柔韧性和高生物相容性。活体动物实验证明了生物粘性电子界面有望发展成为一类普适性的方法，快速稳定的将电子医疗设备与人体组织进行功能性集成。此外，生物粘性电子界面能通过外界刺激脱粘附，实现植入设备的无创取回。

图1：生物组织与植入设备的集成方法。a 物理附着；b 手术缝合；c 生物粘性导电界面。

2020年9月28日，论文以“Electrical bioadhesive interface for bioelectronics”为题发表在Nature Materials杂志上

生物粘性电子界面的作用机理与性能

要实现长期稳定有效的人机电子界面，需要解决当前的材料和方法的几个主要的弊端：1）现有导电界面材料难以实现在湿润动态的体内环境中与组织或器官长期稳定集成；2）现有生物粘性材料在湿润环境中易溶胀，难以保持稳定的电学性能和与植入设备的粘附；3）不可降解的植入设备的取回往往需要二次手术，且伴有严重的组织创伤。

图2：生物粘性导电界面交联机理

图3：生物粘性导电界面的粘附性能

针对上述弊端，设计出生物粘性电子界面，使其具有高柔韧性和高吸湿性的聚丙烯酸-聚乙烯醇交联网络。当接触组织表面时，可以迅速吸收表面水分，同时通过物理交联（氢键和静电作用）瞬间（< 5 s）与组织进行粘合；随后预先接枝在聚丙烯酸网络上的NHS基团与组织或器件表面的氨基形成化学交联（图2）。生物粘性电子界面不但适用于心脏、皮肤、肌肉、神经组织等各类组织或器官，而且能够广泛应用于硅、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚甲基硅氧烷等构建器件的常用材料（图3）。例如在湿润动态的心脏组织表面，生物粘性电子界面能够实现高达110 kPa的剪切强度和420 J m^-2的粘接韧性。

图4：生物粘性导电界面的性能。a各向异性溶胀；b 导电性。

此外，设计引入了还原氧化石墨烯导电网络。由于石墨烯网络的引入，一方面使其具有稳定的导电性和电子注入容量，保证了电子器件与生物组织的双向电信号传导。另一方面，使干燥的生物粘性电子界面在与湿润组织粘合时，仅在垂直平面方向上吸水溶胀，保证了植入电子设备与生物组织长期稳定的粘合（图4）。同时，为了实现刺激脱粘附，进一步在高分子网络中设计引入了二硫键。通过引入生物相容性的碳酸氢钠和谷胱甘肽混合水溶液，能够分别破坏与组织表面的物理和化学交联，实现脱粘附和植入设备的无创取回。

生物粘性导电界面的应用

通过生物粘性导电界面，将柔性电极贴附在活体小鼠的心脏表面，能够稳定检测心外膜心电信号长达两周 （图5）。并且能够通过刺激脱粘附的方式，将电极从心脏表面无创取回。该方法简单高效，避免了缝合造成的的组织损伤，心律不齐等并发症。通过免疫组化和免疫荧光等多种方法进行分析，验证了生物粘性导电界面材料具有与FDA批准的金电极相当的生物相容性。

图5：生物粘性导电界面用于长期心外膜心电信号检测

展望

生物粘性导电界面的提出，实现了生物电子设备与多种体内组织的高强度粘合，双向电生理信号的传导以及无创的脱粘附。相较于传统的手术缝合和物理贴合等集成方式，具有巨大的潜力。本文提出的材料，方法和概念，不但解决了长期以来生物组织与植入设备在集成方法上的困难和挑战，同时也为一系列生物可粘附电子器件的发展和人机融合交互的方式提供了新的机遇和思路。

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