大家好！今天来了解一篇生物电子学研究——《Low-impedance tissue-device interface using homogeneously conductive hydrogels chemically bonded to stretchable bioelectronics》发表于《SCIENCE ADVANCES》。柔性和可拉伸生物电子设备潜力巨大，可目前面临性能瓶颈，像微观非共形接触和高阻抗等问题亟待解决。而水凝胶的出现带来了新希望，不过它在应用时也存在诸多挑战。这项研究，就围绕如何利用化学键合的均匀导电水凝胶来攻克这些难题，进而实现可拉伸生物电子设备性能的大幅提升。现在，让我们一同深入其中。
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一、研究背景与挑战
柔性和可拉伸生物电子设备在生物集成领域潜力巨大，但面临诸多挑战。多数设备使用高模量材料，如聚合物薄膜、金属和氧化物薄膜，这些材料在局部与粗糙器官表面接触时呈非共形状态，产生高接触阻抗，尤其在动态环境下，严重限制了设备性能。水凝胶虽具有组织般柔软和富水特性，可导电，有望解决这些问题，但其作为接口介质时，在电性能、材料均匀性及与可拉伸设备集成方面存在困难。例如，普通水凝胶导电性差，添加导电材料虽可改善但会影响均匀性；水凝胶的高含水量使其与设备表面整合不可靠，影响设备性能和规模化生产。如传统的“切割和放置”方法在制造和应用设备时，因水凝胶含水量高，即使微小剪切力也会导致其与电极失去接触。
二、研究策略与成果
（一）导电水凝胶的合成与性能优化
1、合成策略与电性能提升
为解决上述问题，研究人员提出合成一种特殊的水凝胶。先在聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶中掺入低浓度（3.3wt%）的聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS），形成PEDOT:PSS-PAAm水凝胶，此时PEDOT:PSS颗粒分散在PAAm水凝胶基质中。再用聚苯胺（PANi）对其进行修饰，得到PEDOT:PSS-PANi-PAAm水凝胶，该水凝胶通过建立三维导电通路，实现了快速电子传导。
实验表明，PEDOT:PSS-PANi-PAAm水凝胶具有极低阻抗（约21.2至22.9欧姆）和较高电导率（约24S/cm）。例如，在不同浓度PEDOT:PSS的对比实验中，当浓度为5.5wt%时，PEDOT:PSS-PAAm水凝胶开始失去均匀性，10.8wt%时均匀性进一步恶化，电导率降至0.4mS/cm；而经PANi功能化后，电导率显著提升至约24S/cm（如图2C、2D）。其阻抗在全频率范围内保持较低且稳定，与未功能化的水凝胶相比，阻抗降低效果明显（如图2D及图S4）。
这种性能提升源于分子间相互作用。PANi功能化过程中，HCl使PEDOT:PSS发生二次掺杂，改变其结构；PANi分子沿掺杂的PEDOT:PSS网络合成，二者通过π-π和库仑相互作用，使水凝胶结构更均匀，从而协同提高了导电性。XPS分析显示功能化后PEDOT:PSS的比例变化，UV-vis-NIR光谱表明电荷离域更有效。
2、机械性能与pH依赖性
该水凝胶还具有良好的机械性能，如358%的高拉伸性，超过多种组织和器官的伸长极限，杨氏模量约为14kPa，低于皮肤且与心脏相当，适合生物电子应用。
在拉伸过程中，水凝胶的电导率变化较小，初始电阻在拉伸300%时仅增加约39%。
此外，导电聚合物如PEDOT:PSS和PANi具有pH依赖性，该水凝胶的导电性在酸性条件下因掺杂H⁺而增加，pH升高时导电性降低，这一特性可用于不同器官的pH传感。例如，在pH1时，PEDOT:PSS-PANi-PAAm水凝胶阻抗为23.7欧姆，pH7时增至157欧姆。
（二）导电水凝胶与设备的粘附策略
1、粘附方法与效果
为实现导电水凝胶与可拉伸设备的可靠粘附，采用了多种策略。首先，在电极和PU井表面进行化学修饰，形成化学锚定基团，增强共价键。电极由Cr/Au/Ti三层薄膜组成，Ti表面经处理后可形成稳定的功能基团。
然后，在PU井内原位聚合水凝胶，使其与电极和PU井表面牢固结合。实验证明，这种方法显著提高了水凝胶的粘附性能，如PEDOT:PSS:PANi-PAAm在功能化电极和PU井上的界面韧性分别从17.3和23.7J/m²提高到153.6和72.9J/m²。
最后，用氢键剂单宁酸（TA）处理水凝胶，增强能量耗散，进一步提高粘附性能。经TA处理后，水凝胶在剥离测试中表现出更好的韧性，如在水凝胶-电极和水凝胶-PU井处的韧性分别从129.6提高到297.6J/m²和从72.9提高到279.2J/m²。
在加载-卸载测试中，应力-应变曲线的滞后表明水凝胶在变形过程中发生能量耗散，能量损失系数显著增加。
（三）可拉伸生物电子设备的制造与应用
1、制造步骤与传感器阵列
可拉伸生物电子设备的制造过程包括多个步骤。首先制造可拉伸电极，在晶圆上形成PI层，通过光刻、蒸镀和剥离工艺定义电极图案，再用环氧树脂封装并转移到PU基底上（如图4A-4F）。
接着制备弹性PU井，通过激光切割模具、涂覆PUA、紫外线照射等步骤完成。
然后将导电水凝胶原位形成在电极上，先对电极和PU井表面进行等离子体处理和TMSPMA沉积，再将含有PEDOT:PSS的PAAm前体溶液注入PU井中，紫外线照射聚合，最后用PANi和TA对水凝胶进行功能化处理。
制造出的可拉伸多通道传感器阵列用于体外和体内阻抗及pH测量。单元电池由导电水凝胶（PEDOT:PSS-PANi-PAAm水凝胶用于阻抗测量，PANi-PAAm水凝胶用于pH测量）和Ag/AgCl电极组成，通过蛇形可拉伸互连线连接。
2、体外和体内测量实验
在体外测量实验中，制备了不同离子浓度和pH值的人工组织，将传感器阵列附着在上面进行测量。测量结果显示，该设备能够准确测量阻抗和pH值，如在不同离子浓度的人工组织上测量阻抗时，可得到不同位置的阻抗值；
在不同pH值的人工组织上测量pH时，pH传感器显示出-33.94mV/pH的灵敏度。
在动态测量实验中，将设备放置在含0.25MNaCl的人工组织上进行拉伸，同时测量阻抗，结果表明在拉伸过程中阻抗变化可测，且拉伸循环测试后阻抗能恢复到初始水平，证明了设备在动态条件下的可靠性。
在体内测量实验中，通过皮肤烧伤模型测量大鼠皮肤阻抗，发现烧伤后阻抗增加；将pH传感器放置在大鼠胃内测量胃液pH，测量结果与pH2缓冲溶液的电位相当。
三、研究意义与展望
本研究提出的策略通过合成特殊导电水凝胶并建立其与可拉伸生物电子设备的可靠粘附，成功制造出可用于体外和体内测量的传感器阵列，克服了现有技术在电性能、材料均匀性和设备集成方面的挑战，为高性能软生物电子设备的发展提供了新的机遇，有望在生物医学领域得到更广泛的应用。
四、一起来做做题吧
1、在可拉伸生物电子设备中，传统材料导致的微观非共形接触会产生什么问题？（ ）
A. 使设备与组织贴合更紧密
B. 提高设备的柔韧性
C. 增加接触阻抗，限制设备性能
D. 增强设备的导电性
2、以下关于 PEDOT:PSS - PANi - PAAm 水凝胶的电性能描述，正确的是（ ）
A. 阻抗随频率增加而显著降低
B. 电导率在低频时最高
C. 经 PANi 功能化后阻抗大幅降低且在全频率范围保持较低
D. 电导率不受 pH 值影响
3、在实现导电水凝胶与可拉伸设备的粘附过程中，以下哪一步骤不是关键措施？（ ）
A. 在电极和 PU 井表面进行化学修饰形成化学锚定基团
B. 在 PU 井内原位聚合水凝胶
C. 用大量水清洗设备表面以去除杂质
D. 用氢键剂单宁酸（TA）处理水凝胶
参考文献：
Yoonsoo Shin et al. Low-impedance tissue-device interface using homogeneously conductive hydrogels chemically bonded to stretchable bioelectronics. Sci. Adv.10,eadi7724(2024).
