水凝胶，最新Nature Nanotechnology！

变形纳米膜革新生物电子界面，实现精准生命信号监测

在软生物电子学领域，如何让电子设备无缝贴合柔软、不规则的人体器官表面，一直是个巨大挑战。传统的组织相容性平台尺寸通常在毫米到数百微米之间，这会导致信号采集不全并对组织造成长期压迫。虽然近年来超薄纳米器件有所发展，但其复杂脆弱的操作流程限制了实际应用并损害了其本征性能。

近日，成均馆大学Donghee Son、蔚山科学技术院BongSoo Kim合作开发出了一种基于离子-电子导电纳米膜（THIN）的可变形且不可感知的水凝胶-弹性体粘附双层膜，总厚度仅350纳米。该设计利用了双亲性特质，结合了亲水的组织粘附水凝胶与疏水的半导体弹性体。通过正交溶剂旋涂工艺形成的异质界面动态键合相互作用，使其完全兼容微加工。THIN在干燥时硬度高、易于操作，遇水后则发生瞬间的“硬-软”相变，实现与各种表面（包括小曲率半径表面）的完全共形接触及快速自发性粘附。为了展示其独特的电学和力学特性，THIN被集成到有机电化学晶体管的活性沟道中，所构成的THIN-OECT表现出优异的应变不敏感型离子-电子传导性能，通过可变形相变实现了对组织的不可感知界面连接和精准生物信号监测。相关论文以“Hydrogel–elastomer-based conductive nanomembranes for soft bioelectronics”为题，发表在Nature Nanotechnology上。

这项技术的核心创新体现在其独特的结构和变形机制上。研究人员首先通过旋涂工艺，依次将组织粘附性水凝胶纳米膜和半导体弹性体纳米膜组装在硅片上，最终剥离得到自支撑的THIN薄膜。与带有厚/薄基底或无基底但水凝胶较厚的对照组相比，仅有350纳米厚的THIN在遇水后弯曲刚度急剧下降了约1700倍，低至9.08 × 10-5 GPa μm4，使其能够无痕地贴合具有微小曲率半径的皮肤表面，其覆盖下的皮肤仿生模型表面形貌与裸露皮肤几乎完全一致。即使是对于球形液滴这样极度柔软的曲面，THIN也能在3秒内通过不对称溶胀自发适应其曲率，无需任何外加压力即可实现共形贴合。

图1 | 基于THIN电化学晶体管的、自支撑且自适应的组织-膜界面。 a, THIN薄膜的制备过程示意图及完全剥离的自支撑THIN薄膜照片（右插图）。OLA，正交层状组装。 b, 不同类型的生物电子膜界面序列及其对生物流体水合和组织表面适应的响应示意图。 c, 带有厚基底的双层膜、带有薄基底的膜、无基底双层膜以及THIN的组织粘附水凝胶膜水合过程中，弯曲刚度随时间的变化。 d-g, 带有厚基底的膜、带有薄基底的膜、无基底膜以及THIN在人体皮肤仿生模型上的照片和通过3D激光扫描显微镜获得的二维/一维拓扑形貌。 h, 显示不同构型下球形液滴与界面接触的照片，以及水合过程中的随时间变化。 i,j, 自支撑THIN-OECT置于美分硬币旁的及在人体皮肤上自适应THIN-OECT的照片。 k, 通过薄沟道和湿润组织表面实现直接共形粘附示意图。 l, 用于监测来自胫骨前肌、大脑和心脏电生理信号的THIN-OECT示意图。插图：响应坐骨神经刺激而抽搐的胫骨前肌上植入的THIN-OECT照片（左）、极度柔软的大脑（右上）和动态跳动的心脏（右下）照片。

为实现长期稳定的组织界面连接，THIN的双亲性设计至关重要。其亲水粘附表面确保与活体器官的紧密接触，而疏水半导体表面则最大限度减少了与体内环境因素的不良相互作用。扫描电镜和原子力镜显示THIN表面光滑连续，均方根粗糙度仅2.81纳米。多种相互作用（包括氢键、库仑相互作用以及邻苯二酚基团与聚合物之间的共价键等）使其在生物流体中也能保持结构完整，以水合、自支撑的形式漂浮而不破裂。流变学和纳米压痕测试表明，水合后THIN的储能模量显著降低，损耗因子增加，硬度从1.35 GPa剧降至0.035 GPa，实现了从自支撑（高硬度）到自适应（低硬度）的转变。这种低弯曲刚度和硬度使其能够贴合组织级别的微小曲率（<5 μm），其高粘附强度和界面韧性确保了在各种组织剪切和拉伸应力下的牢固结合，形成不可感知的组织界面。实验演示显示，当自支撑的THIN应用于湿润皮肤时，会自发适应皮肤微观拓扑结构，即使在水流冲刷和剪切摩擦下也能保持强健粘附。

图2 | THIN用于共形组织粘附的可变形特性。 a, 依次获得的Alg-CA和通过OLA工艺制备THIN的旋涂纳米膜的扫描电子显微镜和原子力显微镜图像。 b, THIN（左）和无CA基团的THIN（右）漂浮在水上的照片。 c, THIN干燥状态及水合后的储能模量、损耗模量和tan δ值。 d, THIN水合前后作为负载函数的纳米压痕硬度。 e, THIN的载荷-位移曲线。 f, 水合THIN图案在拉伸过程中形状演变的照片和光学显微镜图像，未引起任何裂纹。 g, 对在心脏组织上实现共形层压所需可能曲率半径的估算。 h, 通过THIN界面粘合的各种组织与PET基底之间的拉伸和剪切粘附强度。 i, 可在人体皮肤上操作的自支撑THIN薄膜在水合几秒内发生不对称溶胀并共形自适应的示意图。 j, THIN在湿润组织上自适应的可能机制示意图。 k, THIN在持续跳动的活体心脏上实现共形粘附，并随动态心脏运动同时适应舒张和收缩状态。 l, THIN耐用且强健的组织集成能力，可承受连续的水流冲刷和剪切力磨损。

除了卓越的力学性能，高性能的半导体材料对于精确监测电生理信号同样关键。研究人员合成了硒吩取代的半导体弹性体P(g2T2-Se)。与硫类似物P(g2T2-T)相比，硒原子的引入增强了分子骨架的平面性和醌式特征，从而提高了结晶度和分子间相互作用。掠入射广角X射线散射证实了P(g2T2-Se)更有序的分子排列和更高的结晶度。基于P(g2T2-Se)的OECT获得了高达1,034 F cm⁻¹ V⁻¹ s⁻¹的μC*值，是前者的3.7倍，并表现出超过2.2 cm² V⁻¹ s⁻¹的电荷载流子迁移率。重要的是，即使在200%的拉伸应变下，其阻抗和电化学性能也几乎保持不变，显示出优异的应变不敏感性，非常适合适应生物组织。

图3 | 可拉伸半导体弹性体纳米膜的电学性能。 a, P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)的化学结构。 b,c, 从P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)薄膜获得的GIWAXS图案的二维谱图及一维剖面图。 d, P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)薄膜的归一化紫外-可见吸收光谱。 e, P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)的轨道能级排列。 f, 基于DFT计算得出的P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)三聚体的静电势表面图和优化构象。 g, OECT的峰值跨导作为工作条件和沟道几何形状的函数。 h, 基于P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)的OECT的转移特性和跨导。 i, P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)薄膜的电荷载流子迁移率和归一化跨导。 j, 基于P(g2T2-Se)的OECT的累计转移特性。 k, SEBS基底上P(g2T2-Se)薄膜在0%应变和拉伸至200%应变下的照片。 l, P(g2T2-Se)薄膜在100%和200%应变下的阻抗和相位角变化。 m, 基于P(g2T2-Se)的OECT在沿电荷传输方向拉伸（应变0%至200%）时的转移特性变化。 n, P(g2T2-Se)薄膜在不同应变下从（100）面衍射得出的边缘取向概率变化。 o, P(g2T2-Se)薄膜在不同应变下的层状堆积和π-π堆积距离。

最后，研究人员通过热蒸发在金电极纳米膜上制备了自支撑的THIN-OECT器件，并在大鼠体内展示了其稳定的电生理信号监测能力。在心脏表面，THIN-OECT通过水凝胶层溶胀完全贴合心脏微观拓扑，在不干扰心脏搏动的情况下，有效测量了与体表心电图同步的实时心外膜电信号。在胫骨前肌上，尽管腿部因坐骨神经刺激而抽搐，THIN-OECT仍能稳定记录肌电信号。在大脑皮层，该器件也成功测量了高质量的皮层脑电信号。得益于良好的体内生物相容性和机械上的不可感知性，THIN-OECT界面能够为长期稳定的心电、肌电和脑电记录提供支持。

图4 | 用于体内电生理监测的THIN-OECT界面。 a, 用于心脏、胫骨前肌和皮质表面的自支撑THIN-OECT界面照片。插图：单个THIN-OECT上共享源极的两个相同沟道，通过坚韧自愈合弹性体封装与柔性印刷电路板互连，以及活性区域的放大光学显微镜图像。 b, 自支撑THIN-OECT的转移特性曲线。 c, THIN-OECT的循环稳定性。 d, 活体体表心电图和心外膜电信号记录设置及器件操作电路设计示意图。 e, 说明THIN-OECT活体心外膜粘附和适应过程的连续图像。 f, 由传统针电极记录的体表心电图信号和由THIN-OECT记录的心外膜电信号代表图。 g, 活体胫骨前肌肌电记录设置及在频率谱上刺激坐骨神经的器件操作电路设计示意图。 h, 说明THIN-OECT在20Hz电刺激坐骨神经后活体肌肉粘附和稳定适应过程的照片。 i, THIN-OECT在胫骨前肌上记录的肌电信号。 j, 针对坐骨神经各刺激频率的肌电信号幅度。 k, 在氯胺酮麻醉下活体脑电记录设置及器件操作电路设计示意图。 l, THIN-OECT活体皮层粘附和稳定适应照片。 m, THIN-OECT获得的时域脑电信号及其时频分析图。

这项研究成功开发了一类由组织粘附水凝胶和半导体弹性体组装而成的软生物电子纳米膜THIN。其纳米级厚度、干燥自支撑、遇水自适应的特性，突破了以往方法的局限。硒吩的引入增强了离子-电子混合传导，而THIN-OECT中缩短的有效距离加速了电荷传输，实现了对电生理信号的稳定监测。未来，增加记录通道数量和获取空间电生理图，将有助于进一步提高记录保真度，推动其在闭环神经假体和个性化临床诊断中的应用。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41565-025-02031-x

来源：高分子科学前沿