近年來，軟生物電子技術(shù)迎來了蓬勃發(fā)展的時(shí)代，因?yàn)樗趥€(gè)性化醫(yī)療監(jiān)測、護(hù)理點(diǎn)臨床診斷、假肢和人機(jī)界面等方面的應(yīng)用前景廣闊，將從根本上提高精確治療學(xué)的效率，并改變?nèi)伺c機(jī)器的交互方式：（1）柔軟、靈敏，可感知環(huán)境刺激的微小變化，如應(yīng)變（0.1%）和壓力（0.1%）；（2）柔韌、可拉伸（~1000%），可順應(yīng)性地附著于任何彎曲表面，如人體皮膚；（3）薄（~1 um）、輕（3 g/m2），可實(shí)現(xiàn)難以察覺的集成和隨時(shí)移動(dòng)。這些突出特點(diǎn)使軟生物電子器件能夠與人體和假肢無縫集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理和生物信息的實(shí)時(shí)、長期和低成本傳感。迄今為止，已開發(fā)出多種軟生物電子器件，包括電子皮膚、穿戴式傳感器、柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）、軟超級(jí)電容器和植入式電子器件。其應(yīng)用范圍很廣，從觸覺傳感、重要生理信號(hào)監(jiān)測、生物標(biāo)志物檢測（如汗液、淚液和尿液）到體內(nèi)給藥、細(xì)胞操作以及神經(jīng)調(diào)控和治療。傳統(tǒng)器件無法實(shí)現(xiàn)的卓越功能已成功實(shí)現(xiàn)。例如，無電池表皮電子元件可用于無線、連續(xù)和實(shí)時(shí)測量脆弱新生兒的心電圖（ECG）和光敏血壓計(jì)（PPG）信號(hào)，與傳統(tǒng)的硬連線監(jiān)測系統(tǒng)相比，可大大減少對(duì)新生兒皮膚的傷害和對(duì)嬰兒自然活動(dòng)的限制。目前已發(fā)明了可植入的類組織電子元件，可與神經(jīng)組織適形連接，通過電刺激實(shí)現(xiàn)局部神經(jīng)調(diào)控。

盡管軟生物電子學(xué)正在為人類生活和社會(huì)帶來快速變革，但目前開發(fā)的生物電子學(xué)大多基于紡織品等具有較大楊氏模量（通常為2 Mpa ~ 1 GPa）和非內(nèi)在生物相容性的材料，與人體皮膚或組織的機(jī)械不匹配以及嚴(yán)重的生物相容性問題極大地阻礙了它們在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。與這些材料相比，水凝膠是一種滲入大量水分（80 wt%）的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，因其具有模擬組織的楊氏模量、優(yōu)異的生物相容性與生物相似的離子導(dǎo)電性和多種刺激響應(yīng)性，已被廣泛認(rèn)為是開發(fā)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域軟性穿戴式和植入式電子器件的理想材料。具體來說，水凝膠的楊氏模量（~1 Pa至~1 MPa）與人體皮膚或組織的楊氏模量（~1 kPa至~100 kPa）接近，可使電子組織界面具有極佳的機(jī)械匹配性，有助于實(shí)現(xiàn)電子與生物的順應(yīng)性集成。其優(yōu)越的細(xì)胞外基質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)使軟生物電子器件具有類似原生組織的生理特性，即良好的細(xì)胞相容性和組織相容性可避免在長期附著過程中出現(xiàn)意外的生物免疫反應(yīng)。同時(shí)，水凝膠的離子傳導(dǎo)機(jī)制使電子器件能夠與生物組織進(jìn)行便捷的電交流。因此，水凝膠電子器件可以在機(jī)械、電學(xué)和生物化學(xué)特性等各個(gè)方面完美地彌補(bǔ)人類與機(jī)器之間的差距，并實(shí)現(xiàn)下一代軟生物電子學(xué)的開發(fā)。迄今為止，已開發(fā)出多種基于水凝膠的軟生物電子器件，包括傳感器、顯示器、TENGs和植入式電極，可用于皮膚和植入式應(yīng)用。

盡管水凝膠在開發(fā)穿戴式和植入式生物電子器件方面前景廣闊，但在臨床過渡和實(shí)際應(yīng)用之前，仍存在一些挑戰(zhàn)性問題，需要加以解決。其中一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，由于水凝膠固有的楊氏模量較低，加上人體內(nèi)復(fù)雜的承載和動(dòng)態(tài)環(huán)境，水凝膠生物電子器件在使用過程中很容易損壞，這嚴(yán)重阻礙了其長期可靠的應(yīng)用。例如，穿戴式電子器件不可避免地會(huì)受到來自外部環(huán)境的各種機(jī)械力的影響，如劃痕、磨損、撕裂和穿刺。在人體器官和關(guān)節(jié)頻繁而持續(xù)的運(yùn)動(dòng)過程中，如心臟的持續(xù)收縮和擴(kuò)張，植入式生物電子器件可能會(huì)受到超范圍拉伸、應(yīng)力疲勞和應(yīng)力引起的內(nèi)部微裂縫的破壞。

人的皮膚是一種復(fù)雜的感官系統(tǒng)，在受損時(shí)可以再生或修復(fù)，因此可以工作一百多年。受此啟發(fā)，研究人員致力于賦予水凝膠生物電子“自再生”或自修復(fù)“能力，以延長其耐用性、可靠性和壽命。自愈能力在軟生物電子學(xué)中發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樗梢詮母旧峡朔浬镫娮訉W(xué)在運(yùn)行過程中不可避免的結(jié)構(gòu)斷裂和功能失效或退化。其基本機(jī)理是，具有自愈合能力的水凝膠（SHHs）能夠在受損后重建斷裂的鍵，從而恢復(fù)其原有的機(jī)械、化學(xué)和電子特性。這種能力賦予了水凝膠軟生物電子學(xué)幾種顯著的功能：（1）使軟生物電子器件在受到破壞后能夠恢復(fù)其原有的結(jié)構(gòu)、功能和性能；（2）通過應(yīng)力消散效應(yīng)提高器件的機(jī)械耐久性，以實(shí)現(xiàn)長期應(yīng)用，當(dāng)受到負(fù)載時(shí)，自愈合水凝膠中的可逆動(dòng)態(tài)鍵可作為犧牲鍵斷裂并消散累積的應(yīng)力和能量，從而減輕應(yīng)力集中和對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)載荷移除時(shí)，斷裂的可逆鍵可以重塑，恢復(fù)受損水凝膠的原始結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，從而抵御應(yīng)力引起的裂縫和應(yīng)力疲勞，提高器件的機(jī)械耐久性。（3）賦予軟生物電子器件形狀適應(yīng)能力，即通過自愈合水凝膠中可逆鏈接的斷裂和重構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)適應(yīng)各種組織或器官形狀。

近期，Advanced Materials期刊發(fā)表了題為“Self-healing Hydrogel Bioelectronics”的綜述，討論了自愈合水凝膠的最新進(jìn)展，從水凝膠材料的自愈合機(jī)理、材料化學(xué)和多種性能改進(jìn)策略，到各種基于水凝膠的生物電子器件的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用，包括穿戴式物理和生化傳感器、超級(jí)電容器、柔性顯示器件、摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENGs）、植入式生物電子器件等。此外，還提出了阻礙自愈合水凝膠生物電子學(xué)發(fā)展的持續(xù)挑戰(zhàn)及其前景。該綜述有望加快自愈合水凝膠在各種自愈合生物電子學(xué)中的研究和應(yīng)用。香港大學(xué)張世明教授及西安交通大學(xué)趙立波教授、西北工業(yè)大學(xué)薛語萌教授為共同通訊作者。

自愈合水凝膠的原理圖及其在軟生物電子學(xué)中的潛在應(yīng)用

基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵相互作用的自愈合水凝膠

基于多種協(xié)同性相互作用的自愈合水凝膠

熱觸發(fā)自愈機(jī)制及制備的自愈合水凝膠

光觸發(fā)自愈機(jī)制及制備的自愈合水凝膠

在這篇綜述中，作者重點(diǎn)介紹了過去幾年在合成自愈合水凝膠及其應(yīng)用于開發(fā)軟生物電子學(xué)方面所探索的最突出機(jī)制。目前已構(gòu)建出多種自愈機(jī)制，涉及自主和外部刺激響應(yīng)特性。利用這些機(jī)制，許多自愈合水凝膠得到了證實(shí)，它們在自愈率、恢復(fù)速度、允許的自愈周期以及許多其他理化性能（如機(jī)械強(qiáng)度、伸展性、導(dǎo)電性、抗凍能力、保水性能等）方面都有顯著改善。這些自愈合水凝膠的應(yīng)用范圍很廣，從穿戴式傳感器、光學(xué)顯示器、超級(jí)電容器和TENG到植入式生物電子器件。機(jī)械損傷后出色的性能恢復(fù)能力已得到證實(shí)，從而大大提高了軟電子器件的可重復(fù)使用性和使用壽命。盡管已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步但大多數(shù)已開發(fā)的自修復(fù)電子器件仍處于概念驗(yàn)證階段。在最終的工程應(yīng)用之前，還需要應(yīng)對(duì)巨大的挑戰(zhàn)。

（1）深入了解自愈合理論和性能評(píng)估。目前，大多數(shù)研究工作都集中在探索水凝膠可能的自愈合機(jī)制，并通過實(shí)驗(yàn)證明其宏觀自愈合行為。目前還缺乏分子層面的自愈合動(dòng)力學(xué)理論分析或建模，無法說明分子的類型、動(dòng)力學(xué)和濃度以及環(huán)境參數(shù)（如溫度、pH 值等）對(duì)動(dòng)態(tài)鍵的形成以及鍵能的影響。建立理論模型，從分子成分定量計(jì)算水凝膠的自愈合宏觀性能（例如自愈合效率、時(shí)間和周期）是可取的。這些模型不僅能預(yù)測給定條件下的自愈合性能，還能在機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的幫助下提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)策略，以滿足目標(biāo)容量要求。此外，構(gòu)建性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)表征方法也將有助于直接定量表征和驗(yàn)證水凝膠的自愈合性能。

（2）同時(shí)提高自愈合能力和其他所需的材料性能。在軟電子器件的實(shí)際應(yīng)用中，水凝膠不僅要具備自愈合能力，還要具備許多其他必要的性能，如機(jī)械強(qiáng)度、拉伸性、導(dǎo)電性等。然而，由于這些性能對(duì)材料組件設(shè)計(jì)的要求相互矛盾，因此在同時(shí)提高這些性能方面存在巨大挑戰(zhàn)。一個(gè)常見的挑戰(zhàn)是如何權(quán)衡自愈合水凝膠與機(jī)械性能（楊模量）之間的關(guān)系。具有高自愈合能力的水凝膠在環(huán)境溫度下很少有足夠的楊氏模量。這是因?yàn)楦邨钍夏Ａ啃枰焖俚亩魏玩渼?dòng)力學(xué)以及易于斷裂/交換的動(dòng)態(tài)鍵，而這通常是以低模量和弱動(dòng)態(tài)鍵的聚合物鏈為代價(jià)的。探索新策略來平衡包括自愈能力在內(nèi)的多種功能之間的矛盾，對(duì)于實(shí)現(xiàn)水凝膠的實(shí)際工程應(yīng)用至關(guān)重要。一個(gè)有前景的解決方案是利用結(jié)合了不同動(dòng)態(tài)鍵的復(fù)雜分子設(shè)計(jì)和具有特定形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（3）賦予自愈合水凝膠環(huán)境適應(yīng)能力。由于水凝膠具有富水和親水性，因此在環(huán)境溫度或更高溫度下容易脫水，在低溫下容易凍結(jié)，在水中容易膨脹。這些因素會(huì)降低水凝膠電子器件的穩(wěn)定性和可靠性，甚至導(dǎo)致器件失效。在確保自愈合性能的前提下，解決失水、凍結(jié)和膨脹問題對(duì)自愈合水凝膠電子器件至關(guān)重要，這可以提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，如在低溫、水下等環(huán)境下。此外，具有可控降解性的自愈合水凝膠在開發(fā)環(huán)境友好型植入式自愈合軟器件方面也大有可為。

（4）開發(fā)具有完全自愈能力的軟電子器件。盡管過去幾年中已經(jīng)展示了多種自愈合軟電子器件但很少有器件能實(shí)現(xiàn)整體自愈合，尤其是那些具有多層或多層結(jié)構(gòu)元件的器件，如電容式傳感器。要實(shí)現(xiàn)完整的自愈合水凝膠電子器件，器件結(jié)構(gòu)的每個(gè)元件層都應(yīng)具備自愈合能力。也就是說，除了水凝膠外，器件結(jié)構(gòu)所需的許多其他材料也應(yīng)具有自愈合能力。此外，由于自愈合性能（速度、重復(fù)周期和條件）的不匹配，在器件愈合過程中克服功能失效引起的變形、剝離和錯(cuò)位更具挑戰(zhàn)性。針對(duì)這一問題，應(yīng)大力構(gòu)建有效的策略。此外，不同層之間的界面粘附/粘合和界面自愈也有助于保持器件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性，并在損壞后實(shí)現(xiàn)全面的性能恢復(fù)。

（5）探索自愈合水凝膠電子器件的制造技術(shù)。制造技術(shù)是開發(fā)自愈合水凝膠電子器件的關(guān)鍵。它彌補(bǔ)了器件概念與實(shí)際應(yīng)用之間的差距。目前，大多數(shù)基于自愈合水凝膠的電子器件都是用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單的塊狀自愈合水凝膠制造的，而且圖案化和集成都是人工進(jìn)行的。當(dāng)務(wù)之急是探索能實(shí)現(xiàn)圖形圖案化、器件間一致性和集成制造的制造技術(shù)。在這方面，3D/4D打印、軟光刻、絲網(wǎng)印刷、直接墨水書寫和噴墨打印在制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和一致性能的自修復(fù)水凝膠電子器件方面具有巨大潛力。此外，微型化和可擴(kuò)展制造可縮小器件尺寸，實(shí)現(xiàn)高密度集成（使單個(gè)器件具有多種功能），并降低成本，而這正是自愈合軟電子器件所急需的。制造具有微/納米厚度和良好透氣性的自愈合水凝膠器件可提高用戶長期使用的舒適度。

（6）賦予自愈合水凝膠生物電子學(xué)新功能，實(shí)現(xiàn)更廣泛和革命性的應(yīng)用。隨著基于自愈合水凝膠的柔性電子技術(shù)深入人類生活，需要不斷賦予其新的革命性功能，以拓展應(yīng)用范圍，創(chuàng)新現(xiàn)有應(yīng)用方式。例如，具有形狀記憶功能的自愈合水凝膠生物電子器件可以記憶復(fù)雜的形狀并在外部刺激下以可編程的方式恢復(fù)到初始形狀，可廣泛應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)、生物醫(yī)學(xué)器件和智能軟生物致動(dòng)器等需要器件結(jié)構(gòu)和性能具有可控激活能力的場合。自愈合水凝膠電子器件具有形狀可編輯和自粘附能力，可以保形粘附在所需形狀的組織或復(fù)雜器官表面，實(shí)現(xiàn)長期生理信息監(jiān)測，并進(jìn)一步應(yīng)用于人工神經(jīng)、腦機(jī)接口和腦疾病治療。此外，自愈合水凝膠電子器件還可以與自愈合超級(jí)電容器和自愈合TENGs集成，實(shí)現(xiàn)自供電，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。例如，集成的自愈式穿戴式傳感器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、長期、穿戴式的醫(yī)療監(jiān)測，而這正是柔性電子技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。

一旦攻克了這些關(guān)鍵難題，通過合理地結(jié)合多種自修復(fù)機(jī)制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將有望構(gòu)建出具有卓越綜合性能的自修復(fù)水凝膠。自愈合水凝膠生物電子器件將能在成千上萬次的損傷下完全恢復(fù)其性能，并同時(shí)具備許多其他優(yōu)異性能，如足夠的機(jī)械強(qiáng)度、高拉伸性、優(yōu)異的導(dǎo)電性、理想的穩(wěn)定性和可靠性等。隨著自愈合水凝膠生物電子學(xué)的快速發(fā)展，其在穿戴式生理信號(hào)監(jiān)測、體內(nèi)給藥、組織工程支架、人體器官電生理信號(hào)傳感、傷口包扎、隱形眼鏡、神經(jīng)信號(hào)記錄與調(diào)控、重大神經(jīng)疾病治療等領(lǐng)域均已實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化或商業(yè)化。可以預(yù)見，在不久的將來，自愈合水凝膠生物電子學(xué)將融入人類的日常生活，使人們的生活方式發(fā)生革命性的變化。