综述：粘附式柔性生物电子学：当前进展与未来挑战

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Adhesive flexible bioelectronics: Current status and future challenges

粘附柔性生物电子通过导电水凝胶、聚合物弹性体等材料实现组织固定与信号传输，研究其微纳结构构建、亲水改性及导电/抗粘附性能优化，并探讨未来挑战。

　　

Jianhui Chen|Renping Ma|Dan Yang|Ruiwen Tian|Longlong Cui|Wang Guan|Yan Liu|Dianpeng Qi|Gongwei Tian|Chengyu Wang

教育部生物基材料科学技术重点实验室，东北林业大学，哈尔滨 150040，中国

摘要

粘附型柔性生物电子技术在生物电子医学领域发挥着重要作用。例如，它不仅可以用于监测电生理信号以诊断神经系统疾病，还可以通过电刺激治疗神经系统疾病或促进伤口愈合。目前的粘附型柔性生物电子技术综述主要集中在导电水凝胶粘合剂上。实际上，除了使用导电水凝胶粘合剂来增强柔性生物电子器件与组织之间的粘附性外，还具有粘附性的聚合物弹性体基底也与水凝胶粘合剂结合使用，作为柔性电子器件的基底，从而赋予其组织粘附能力。本文分别讨论了以具有粘附性的聚合物弹性体作为基底、水凝胶粘合剂作为基底以及导电水凝胶粘合剂作为柔性生物电子器件的情况。其中，赋予聚合物弹性体粘附性的策略包括构建微纳米结构和改进亲水基团；而以水凝胶粘合剂作为基底时无需考虑导电性和膨胀性，因为只需调整其粘附性和膨胀性能，且不适用于信号传输；以导电水凝胶粘合剂作为柔性生物电子器件时，则需要同时调节粘附性、增强导电性、抗膨胀性，并实现自愈性能。最后，本文还探讨了粘附型柔性生物电子技术面临的挑战及未来发展机遇。

引言

近年来，由于出色的延展性和电稳定性，柔性生物电子技术得到了快速发展[[1], [2], [3], [4]]。这些优异的性能确保了柔性生物电子器件在拉伸过程中仍能保持稳定的电性能并准确传输电生理信号。传统的柔性生物电子器件主要由疏水性聚合物弹性体基底（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）、Ecoflex弹性体）和刚性导电材料（如金、导电聚合物、碳基材料）构成[[4], [5], [6], [7]]。柔性生物电子器件通过蒸发、3D打印和在聚合物弹性体基底上掺杂等方法制备[[3,4,[8], [9], [10]]。尽管这些柔性生物电子器件在组织变形时能保持稳定的机械和电性能，但它们缺乏对组织的粘附性（尤其是在湿润的组织表面），这使得它们在组织变形时容易从组织表面脱落，从而影响信号传输。

随着水凝胶粘合剂的快速发展，研究人员利用水凝胶粘合剂增强了柔性生物电子器件与组织之间的粘附性，解决了其在组织变形时脱落的问题[[11], [12], [13], [14], [15]]。这些水凝胶粘合剂通过静电键、氢键以及Schiff碱、酰胺键和二硫键等物理和共价键合方式，显著提高了柔性生物电子器件与组织之间的粘附性[[3,14,[16], [17], [18], [19], [20], [21]]。同时，通过直接混合刚性导电纳米材料或聚合导电聚合物，水凝胶粘合剂还能提升导电性，从而直接用于传输生理信号[[16,[22], [23], [24], [25]]。此外，传统的聚合物弹性体基底（未经改性）也被制备成微纳米结构并赋予亲水性[[26], [27], [28], [29]]，而水凝胶粘合剂则直接用作导电材料的基底（不考虑水凝胶的导电性）[[16,18,30]]，从而赋予柔性生物电子器件粘附性。

目前，粘附型柔性生物电子器件可分为三类（图1）。第一类是以具有粘附性的聚合物弹性体为基底，并结合导电材料；第二类是直接使用水凝胶粘合剂作为柔性生物电子器件的基底，这类粘合剂无需考虑导电性，仅用于增强与组织的粘附性，不参与信号传输；第三类是导电水凝胶粘合剂，既可直接用作柔性生物电子器件，也可作为其粘合层。这类粘合剂不仅需要考虑导电性，还需具备抗膨胀性和自愈性能，以实现更稳定的粘附性和优异的生物相容性。因此，本文将分别讨论以具有粘附性的聚合物弹性体、水凝胶粘合剂和导电水凝胶作为柔性生物电子器件基底的情况。

聚合物弹性体作为柔性生物电子器件基底

赋予聚合物弹性体粘附性的方法有两种：第一种是通过仿生策略在聚合物弹性体基底上构建微纳米结构，从而在组织表面产生粘附力；第二种是合成具有亲水性的聚合物弹性体基底，利用氢键和静电相互作用等物理效应增强其与组织的粘附性。

水凝胶粘合剂作为柔性生物电子器件基底

与传统疏水性或亲水性聚合物基底相比，水凝胶粘合剂具有更好的生物相容性，能更牢固地粘附在组织上。将其直接用作导电材料的基底不仅省去了对导电性的考虑，还能用于构建微电极阵列。

导电水凝胶粘合剂直接用作柔性生物电子器件

无论是作为柔性电子器件的粘合层还是直接作为柔性生物电子器件，导电水凝胶粘合剂都具备优异的粘附性和高导电性。其导电性（包括电子导电性和离子导电性）直接影响信号传输的质量。同时，导电水凝胶粘合剂的膨胀特性、抗粘附性和自愈性能也会影响粘附效果。

结论与展望

在聚合物弹性体表面构建微纳米结构可赋予柔性生物电子器件粘附能力。这种粘附方式避免了与组织的化学反应，且在器件移除后不会留下化学残留物，从而保证了良好的生物相容性。然而，聚合物弹性体的疏水性使其难以长期稳定粘附在湿润的动态组织表面。

作者贡献声明

Jianhui Chen：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原稿撰写，监督，概念构思。Renping Ma：撰写 - 审稿与编辑，监督。Dan Yang：撰写 - 审稿与编辑，监督。Ruiwen Tian：撰写 - 审稿与编辑。Longlong Cui：撰写 - 审稿与编辑。Wang Guan：撰写 - 审稿与编辑。Yan Liu：审稿与编辑，监督，项目管理。Dianpeng Qi：撰写 - 审稿与编辑，监督，项目管理，资金筹集，

作者贡献声明

Jianhui Chen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，概念构思。Renping Ma：撰写 – 审稿与编辑。Dan Yang：撰写 – 原稿撰写。Ruiwen Tian：撰写 – 审稿与编辑。Longlong Cui：撰写 – 原稿撰写。Wang Guan：撰写 – 原稿撰写。Yan Liu：项目管理，资金筹集。Dianpeng Qi：监督，项目管理，资金筹集。Gongwei Tian：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金筹集，