MIT赵选贺教授，最新Nature Materials专访：提出水凝胶生物电子器件的四条设计原则

赵选贺教授

赵选贺，麻省理工学院教授，近日与《Nature Materials》对话，探讨如何通过力学和材料性能的设计，实现生物相容且稳定的生物电子器件。

研究背景与兴趣

赵选贺的研究背景涵盖固体力学、软材料和人工智能辅助设计。他课题组的一个核心问题是：跨越不同长度尺度的结构——从分子网络到多级材料架构——如何产生宏观功能，例如粘附、抗断裂、离子和分子传输、驱动、传感以及持续的生物整合。

生物电子学是沿着这一思路的自然延伸，因为生物组织与电子器件之间的界面从根本上说是一个力学和材料问题。生物组织柔软、湿润、动态、具有化学活性且有生命；而传统电子材料通常干燥、刚性、不可渗透，在力学上与组织严重不匹配。水凝胶则提供了一座强有力的桥梁——它们可以富含水、柔软、具有离子导电性且类似组织。

但水凝胶也带来了许多尚未解决的科学挑战：如何使它们坚韧、具有粘附性、具备电功能、透气、抗疲劳，并在体内长期稳定。赵选贺的研究兴趣之一，就是寻找或合成合适的水凝胶来应对这些挑战。

关键设计原则

要实现兼具类组织柔软度、高电导率、力学韧性和长期稳定性的生物相容性水凝胶，赵选贺提出了四条核心原则：

第一，在不同长度尺度上解耦功能。用于生物电子学的水凝胶必须同时满足往往相互冲突的要求：像组织一样柔软，却像工程材料一样坚韧；像电子界面一样导电，像活体组织一样可渗透，还要在潮湿的生理环境中保持稳定。单一均质的聚合物网络无法同时优化所有这些功能，因此需要多级设计：用于水合和力学的分子网络、用于离子传输和电子导电的渗流微结构，以及用于组织整合的界面化学。

第二，力学匹配且具有足够韧性。匹配皮肤或器官的杨氏模量可以减少应力集中和微动引起的炎症，但这还不够——柔软的水凝胶可能撕裂、疲劳或分层。因此需要增韧，例如在透气水凝胶中设计微/纳米复合材料和耗能域。引入气凝胶颗粒后，材料保持了数十千帕量级的类组织模量，可被弯曲、折叠、卷曲和拉伸。在20%应变下经过10,000次拉伸循环后，氧气渗透率仅下降约5%，离子和电子传输功能与力学耐久性可同时保持。

第三，通过设计实现质量传输。长期生物界面必须交换氧气、二氧化碳、水蒸气、代谢物和热量。传统水凝胶中，氧气渗透率受限于气体在水中低浓度和低扩散率。赵选贺团队使用具有疏水纳米通道的二氧化硅气凝胶颗粒，在力学和热力学上稳定富气相，再通过粘弹性相分离在低体积分数下形成渗流气凝胶网络，从而在不牺牲高含水量的情况下实现高效气体传输。

第四，功能通路的渗流。为提高电子导电性，水凝胶必须在变形下提供稳定的离子和/或电子通路。团队设计的粘弹性相分离策略与电解质、PEDOT:PSS纳米纤维和银片兼容，在保持透气性的同时实现了高离子电导率和高电子电导率。这很重要，因为生物电子器件必须同时进行质量交换、传输信号并随组织变形。

长期生物相容性

对于可植入水凝胶，目标是避免或最小化纤维化包封——纤维化会增加传感器与目标组织之间的距离，改变电子传输，增加阻抗并降低信号质量。赵选贺认为，长期生物相容性由力学、化学、质量传输和免疫反应的共同作用决定。

在力学上，植入物应尽量减少慢性刺激。即使材料在化学上具有生物相容性，力学不匹配也可能引起炎症。其最近的工作表明，稳定的湿粘附可以消除界面间隙，减少微动和炎症细胞浸润，抑制纤维化包封。因此，可植入水凝胶需要类组织柔软度、高抗疲劳性、可控溶胀和稳定的粘附界面力学。

在化学上，水凝胶必须避免浸出有毒成分、不可控的降解产物和不稳定的表面化学。对于长期信号检测，界面还必须随时间保持低阻抗以及稳定的离子和电子通路。

传输往往被低估。活体组织需要吸收氧气和营养物质，并清除代谢物。透气水凝胶研究表明，水凝胶尽管富含水，但除非对其内部架构进行工程化设计，否则可能是气体传输性能较差的材料。

归根结底，长期水凝胶生物界面不应仅仅避免被身体排斥，而应与活体组织保持稳定、低炎症、力学兼容且信号透明的界面。

离子与电子传输的耦合

生物组织主要通过离子通信，而传统电子器件通过电子通信。水凝胶天然支持离子传输，但要将组织与器件连接起来，需要能高效耦合离子和电子信号的材料。赵选贺提出两种互补策略：一是将水凝胶用作离子导体，与组织提供共形、低阻抗接触，再耦合到金属或电子电极；二是创建混合离子-电子导体，使水凝胶同时包含可移动离子和电子导电通路，如导电聚合物、碳材料、液态金属或金属颗粒。

材料挑战在于变形下的渗流——导电通路必须在拉伸、弯曲、溶胀、脱水和生物运动期间保持连接，同时水凝胶还必须保持柔软度、水合、粘附和渗透性。仅高电导率是不够的，导电网络必须力学稳定且生物相容。

在透气水凝胶研究中，基于电解质的水凝胶达到了约70.8 mS cm⁻¹的离子电导率，基于PEDOT:PSS纳米纤维和基于银片的系统分别达到了约4.42 S cm⁻¹和471 S cm⁻¹的电子电导率。重要的是，这些功能与高透气性同时实现，因为渗流架构同时支持离子传输和导电性。

可生物吸收水凝胶电子器件

可生物吸收的水凝胶电子器件需要程序化寿命设计。材料必须在确定的治疗或诊断窗口内可靠运行——例如伤口监测为数天、术后恢复为数周、临时刺激为数月——然后降解为无毒、可代谢或可安全清除的产物。

关键在于分别设计力学完整性、电性能、粘附、传输和降解的“时钟”。这些时钟相互耦合但并不相同：一个器件在其导电网络降至渗流阈值以下后可能仍在力学上完好，也可能保持导电但失去粘附。因此，降解途径必须是可预测的，而非偶然的。

从力学角度看，降解会改变模量、断裂韧性、溶胀压力、抗疲劳性和界面粘附；从材料角度看，降解会改变离子浓度、电子渗流、含水量、pH和副产物释放。必须对这些变化进行工程化设计，使器件在预期时间内保持功能，然后安全失效。

无机材料的机遇与权衡

除了水凝胶和聚合物，几种无机材料在生物电子学中也非常有前景。最实用的包括金、铂、氧化铱和氮化钛等金属，以及硅、氮化镓和用于传感或电极界面的各种金属氧化物等无机半导体。

它们的主要优点是优异的电性能、高信号保真度以及与成熟微加工技术的强工艺兼容性，在需要稳定记录、刺激或集成电路时非常有用。一些无机材料还具有良好的电化学稳定性，氧化物还具有用于传感或电荷注入的有用表面化学。

权衡之处在于力学。大多数无机材料比组织硬得多且顺应性差得多，如果界面未经精心设计，可能造成应力集中、微动和慢性炎症。因此在实践中，无机生物电子器件通常需要制成超薄、图案化为柔性结构，或与软封装和生物界面工程相结合，才能发挥作用。