《ACS Nano》南洋理工/清华大学：生物电子-组织界面的粘/导电水凝胶用于生物电位记录

第一作者：Jiazheng Lao

通讯作者：Jing Yu，Xue Feng，Yinji Ma，Yingchao Zhang

通讯单位：南洋理工大学，清华大学

DOI: 10.1021/acsnano.4c12823

背景介绍

生物电子设备与生物组织的集成因其在健康监测和疾病治疗中的重要性而受到广泛关注，如生物电位记录、伤口护理和心血管疾病治疗。然而，大多数传统的生物电子设备使用刚性和干燥的金属作为电极，由于与软生物组织的机械不匹配，导致界面处的高接触阻抗和相邻细胞/组织不可避免的免疫反应。因此，会出现低质量的信号采集甚至功能故障。为了解决这些问题，最近出现了类似组织的导电水凝胶，它们要么被用来取代传统的电极，要么被用作与生物组织直接接触的桥接层。用于生物电子设备的导电水凝胶应具有特定的特性，包括低接触阻抗和均匀的导电性，以促进电路和组织之间的高精度电通信，低模量和强粘附性，以确保与组织的稳定和保形接触，同时最大限度地减少机械失配，以及低细胞毒性和良好的生物相容性，以避免体内的不良免疫反应。

尽管已经发展了几十年，但导电水凝胶仍处于早期阶段。使水凝胶导电的最简单方法是添加导电材料，如金属、碳纳米管和石墨烯。然而，它们的机械不均匀性和细胞毒性阻碍了实际应用。另外，基于导电聚合物的水凝胶，如聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）、聚吡咯和聚苯胺，被认为是有前景的生物电子学材料，其特征是固有的链级导电性和良好的生物相容性。目前，开发导电聚合物基水凝胶主要有两种方法。第一种使用植酸、离子液体或二甲亚砜等有机溶剂来制备纯导电聚合物水凝胶。然而，这些水凝胶的机械性能较差，粘附力不足，导致长期不稳定。尽管已经开发了多种方法来增强与生物组织的粘附，但与导电垫粘附的意义却被忽视了。因此，对通用表面具有足够粘附力的水凝胶仍然存在不足。第二种方法将导电聚合物与另一种柔软、可拉伸的聚合物网络相结合，以获得更好的机械性能。然而，导电聚合物的疏水性通常会导致聚集体断开，阻碍均匀的导电性。因此，实现具有均匀导电性的柔软、可拉伸和粘性导电聚合物基水凝胶仍然是一个重大挑战。

本文亮点

1. 本工作提出了一种本质上具有粘性和导电性的水凝胶，具有组织样模量，对各种基材具有很强的粘附性。

2. 粘合剂邻苯二酚基团被掺入导电聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）水凝胶基质中，这减小了PEDOT的尺寸并提高了分散性，形成了一个具有优异导电性和应变不敏感性的渗流网络。

3. 这种水凝胶有效地连接了生物电子学与组织的界面，确保了原始的信号记录，同时最大限度地减少了身体运动的干扰。

4. 这种能力通过全面的体内实验得到了证明，包括在静态和动态人体皮肤上的肌电图和心电图记录，以及在运动大鼠上的皮层电图。

图文解析

图1. 固有粘性和导电水凝胶的设计。（a） 直接附着在组织上的传统生物电子设备的示意图。具有粘附到组织（b）的水凝胶界面并从组织（c）传输信号的生物电子装置的示意图。（d） 水凝胶内聚合物网络结构的示意图。（e） 水凝胶主要成分的分子结构以及DMA和PEDOT之间的潜在相互作用。（f） 用于可穿戴和植入式生物电位信号监测的水凝胶生物电子设备的示意图，包括皮肤肌电图、心电图和植入式心电图。

图2. EPAD水凝胶的机械和粘合性能。（a） DMA-PEDOT的设计和拟议结构示意图。DMA-PEDOT的TEM图像（b）及其水凝胶内的网络（c）。（d） DMA-PEDOT和原始PEDOT的ATR-FTIR光谱。（e） DMA-PEDOT和原始PEDOT的XPS光谱。（f） 不同DMA-PEDOT含量的水凝胶的应力-应变曲线（表S1）。（g） 不同DMA-PEDOT含量水凝胶的杨氏模量和韧性。（h） DMA-PEDOT、PDA和PAM链之间的非共价相互作用。（i） EPAD、PAM-PDA和纯PAM水凝胶的ATR-FTIR光谱。（j） EPAD水凝胶的时间依赖性应力-应变曲线。（k） 通过搭接剪切试验研究EPAD水凝胶对不同基材的粘附强度。插图是搭接剪切试验的示意图。（l） EPAD水凝胶与其他报道的导电水凝胶在杨氏模量和粘附强度方面的比较。

图3. EPAD水凝胶的电学和电化学性质。（a） 不同DMA-PEDOT含量水凝胶的电导率。（b） 以原始PEDOT-PAM-PDA水凝胶和离子导电水凝胶为参考，研究了EPAD水凝胶在单轴拉伸下的电阻变化。（c） EPAD水凝胶在30%应变循环载荷下的电阻变化。（d） 描绘DMA-PEDOT网络在拉伸和释放过程中变形的示意图。冻干EPAD水凝胶（e和f）和原始PEDOT-PAM-PDA水凝胶（g）的横截面SEM图像。（h） EPAD水凝胶和商用Ag-AgCl电极在五个附着-剥离循环期间的电化学阻抗谱。（i） 在附着-剥离循环期间，EPAD水凝胶和商用Ag-AgCl电极在两个代表性频率（10和100 Hz）下的阻抗变化幅度。

图4. EPAD水凝胶的生物相容性。（a） 基于MTT法的NIH/3T3细胞在培养1/3/5天后的体外细胞存活率。（b） 培养1/3/5天后NIH/3T3细胞的代表性共聚焦显微镜图像。（c和d）对照组（c）和水凝胶组（d）在2周结束时H&E染色组织切片的代表性图像。星号表示的皮下空洞对应于植入部位。代表性组织用箭头标记，并放大至20倍。（e） 基于H&e染色载玻片的组织学评分。（f） 全血细胞计数的代表性结果。n=5只生物独立的动物。NS表示无显著性（P<0.05；配对样本t检验）。Leu=白细胞；Lym=淋巴细胞；Neu=中性粒细胞；Mon=单核细胞；Eos=嗜酸性粒细胞；Bas=嗜碱性粒细胞。

图5. 皮肤EMG和ECG监测。（a）用于EMG和心电图监测的EPAD生物电子设备的图像。（b）握拳（i）和不同手指的屈伸（ii）产生的EMG信号。（c） 心电图通道设置示意图。（d） 静息和运动状态下心电图信号的信噪比分布。（e） 静息（i）、蹲（ii）、划船（iii）和步行（iv）产生的心电图信号。

图6. 用于ECoG记录的基于EPAD的生物电子设备。（a） 装置结构的分解图。（b） 用于ECoG采集的EPAD生物电子设备的光学图像。（c） 放大查看封装层的马蹄形结构。（d） 无机装置的绝对高度图。（e） d部分中沿白色虚线的厚度。（f）由粘性水凝胶保持的共形界面。（g） 装置应变分布的有限元分析。（h） ECoG监控的一致性接口。

图7. 运动大鼠的癫痫监测。（a） 动物实验的关键步骤。（b） 在自由活动的大鼠体内记录ECoG。（c） ECoG监测期间观察到的癫痫行为：颤抖和点头。在时频域（d）和时域（e）对记录的癫痫波进行信号分析。ECoG监测期间观察到的代表性癫痫行为：点头和跑步（f）；摇晃和坠落（g）。

来源：柔性传感及器件