全球每年有數(shù)百萬臺電子醫(yī)療設備植入到人體中，其中包括心臟起搏器，人工耳蝸和神經電刺激設備等。醫(yī)生通常通過手術縫合的方式實現(xiàn)電子設備與組織的連接和集成。手術縫合需要精密的操作，但是仍然難以避免組織創(chuàng)傷，炎癥反應，結疤，且難以實現(xiàn)連續(xù)貼合的界面。目前美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準的電子設備大多與心臟或者神經組織集成，動態(tài)或柔軟脆弱的組織特點使手術縫合更加困難。同時，現(xiàn)有的柔性電子器件通過范德華力或毛細作用實現(xiàn)集成。但是通常難以實現(xiàn)動態(tài)組織的長期集成。因此，亟待研發(fā)一種可靠的方法來實現(xiàn)體內組織與電子器件的有效集成。

南方科技大學郭傳飛教授團隊和麻省理工學院研究團隊共同在今天發(fā)表的Nature Materials的文章中首次提出可粘附生物電子（Bioadhesive Electronics）的概念，并通過生物粘性電子界面（E-bioadhesive interface）來實現(xiàn)（圖1）。生物粘性電子界面能夠快速將電子設備與各種體內組織進行有效粘合，實現(xiàn)長期穩(wěn)定的雙向電信號的傳導。并且具有與組織相匹配的高柔韌性和高生物相容性。活體動物實驗證明了生物粘性電子界面有望發(fā)展成為一類普適性的方法，快速穩(wěn)定的將電子醫(yī)療設備與人體組織進行功能性集成。此外，生物粘性電子界面能通過外界刺激脫粘附，實現(xiàn)植入設備的無創(chuàng)取回。

圖1：生物組織與植入設備的集成方法。a 物理附著；b 手術縫合；c 生物粘性導電界面。 2020年9月28日，論文以“Electrical bioadhesive interface for bioelectronics”為題發(fā)表在Nature Materials雜志上 生物粘性電子界面的作用機理與性能

要實現(xiàn)長期穩(wěn)定有效的人機電子界面，需要解決當前的材料和方法的幾個主要的弊端：1）現(xiàn)有導電界面材料難以實現(xiàn)在濕潤動態(tài)的體內環(huán)境中與組織或器官長期穩(wěn)定集成；2）現(xiàn)有生物粘性材料在濕潤環(huán)境中易溶脹，難以保持穩(wěn)定的電學性能和與植入設備的粘附；3）不可降解的植入設備的取回往往需要二次手術，且伴有嚴重的組織創(chuàng)傷。

圖2：生物粘性導電界面交聯(lián)機理

圖3：生物粘性導電界面的粘附性能 針對上述弊端，設計出生物粘性電子界面，使其具有高柔韌性和高吸濕性的聚丙烯酸-聚乙烯醇交聯(lián)網絡。當接觸組織表面時，可以迅速吸收表面水分，同時通過物理交聯(lián)（氫鍵和靜電作用）瞬間（< 5 s）與組織進行粘合；隨后預先接枝在聚丙烯酸網絡上的NHS基團與組織或器件表面的氨基形成化學交聯(lián)（圖2）。生物粘性電子界面不但適用于心臟、皮膚、肌肉、神經組織等各類組織或器官，而且能夠廣泛應用于硅、聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚甲基硅氧烷等構建器件的常用材料（圖3）。例如在濕潤動態(tài)的心臟組織表面，生物粘性電子界面能夠實現(xiàn)高達110 kPa的剪切強度和420 J m-2的粘接韌性。 ?

圖4：生物粘性導電界面的性能。a各向異性溶脹；b 導電性。 此外，設計引入了還原氧化石墨烯導電網絡。由于石墨烯網絡的引入，一方面使其具有穩(wěn)定的導電性和電子注入容量，保證了電子器件與生物組織的雙向電信號傳導。另一方面，使干燥的生物粘性電子界面在與濕潤組織粘合時，僅在垂直平面方向上吸水溶脹，保證了植入電子設備與生物組織長期穩(wěn)定的粘合（圖4）。同時，為了實現(xiàn)刺激脫粘附，進一步在高分子網絡中設計引入了二硫鍵。通過引入生物相容性的碳酸氫鈉和谷胱甘肽混合水溶液，能夠分別破壞與組織表面的物理和化學交聯(lián)，實現(xiàn)脫粘附和植入設備的無創(chuàng)取回。 生物粘性導電界面的應用

通過生物粘性導電界面，將柔性電極貼附在活體小鼠的心臟表面，能夠穩(wěn)定檢測心外膜心電信號長達兩周 （圖5）。并且能夠通過刺激脫粘附的方式，將電極從心臟表面無創(chuàng)取回。該方法簡單高效，避免了縫合造成的的組織損傷，心律不齊等并發(fā)癥。通過免疫組化和免疫熒光等多種方法進行分析，驗證了生物粘性導電界面材料具有與FDA批準的金電極相當?shù)纳锵嗳菪浴?

圖5：生物粘性導電界面用于長期心外膜心電信號檢測 展望

生物粘性導電界面的提出，實現(xiàn)了生物電子設備與多種體內組織的高強度粘合，雙向電生理信號的傳導以及無創(chuàng)的脫粘附。相較于傳統(tǒng)的手術縫合和物理貼合等集成方式，具有巨大的潛力。本文提出的材料，方法和概念，不但解決了長期以來生物組織與植入設備在集成方法上的困難和挑戰(zhàn)，同時也為一系列生物可粘附電子器件的發(fā)展和人機融合交互的方式提供了新的機遇和思路。

責任編輯：xj

原文標題：今日Nature Materials: 生物粘性電子界面，實現(xiàn)穩(wěn)定高效人機界面交互

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