如皮肤般柔软贴合的“电子药”新材料问世

Published 04 May.2023 16:50(KST)

KAIST研究团队：“用于高导电性生物电子设备”

一种像皮肤一样柔软、具有黏附性且导电性良好的高性能生物电子器件材料已经被开发出来。

韩国科学技术院（KAIST）4日表示，新材料工程系教授 Kang Jihyung 与生物及脑工程系教授 Park Sungjun 共同领导的研究团队，开发出一种前所未有的高电导率、类组织黏附性水凝胶新材料，并据此实现了高性能生物电子器件。

生物电子医疗器械用于读取体内产生的信号，以感知生物学活动，或通过刺激组织来治疗疾病等。然而，医疗器械中使用的电极材料通常较为坚硬，可能在体内引发炎症反应，并造成大面积组织损伤。因此，学界一直积极开展相关研究，尝试将具有导电性的水凝胶等柔性材料，与生物相容性较高的导电高分子结合，用作体内电极。

在大多数情况下，电导率越高，导电结构域的结晶性就越高，因此高导电水凝胶往往变得坚硬，而柔软的水凝胶则不可避免地导电性较低，这成为一大局限。由此，在以导电高分子为基础的水凝胶中，同时具备高电导率（10 S/cm 以上）和柔软力学性能（100 kPa 以下）的水凝胶迄今尚未有过报道。

研究团队此次开发出了此前从未有过的高导电性、类组织力学性能水凝胶。这种水凝胶在已有报道的导电高分子水凝胶中具有最高的电导率（247 S/cm），其力学性能与组织相似（弹性模量 = 60 kPa，断裂应变 = 410%）。同时，它还能轻易黏附在组织表面，这是保证器件在心脏、胃等持续运动并伴随膨胀与收缩的组织中稳定运行的必要条件。

研究团队根据目标生物组织的需求，对水凝胶进行调控，并引入了与其形态相匹配、具有高有序度的高分子模板网络结构。由此形成的网状网络相比传统网络展现出超过100倍的电导率提升，同时由于模板高分子本身柔软的特性，使水凝胶具备与组织相似的力学性能。在变形条件下其电阻几乎不变，因而作为生物电极具有最优性能。

研究团队利用所开发的水凝胶，制作了多种以电极为基础、具有高电导率的高性能生物电子器件，并验证了其功能。得益于其高电导率，在针对坐骨神经刺激的装置中，仅需极低电压（40 mV）便能成功引发腿部肌肉运动。此外，在用于心电图（ECG）测量的装置中，也以极高的信噪比（61 dB）成功采集到信号，从而证明了开发用于超高质量生物信号测量的柔性器件的可行性。

Kang 教授表示：“本研究的意义在于，为开发兼具高导电性和类生物组织力学性能的水凝胶，提出了一条全新的合成方向。此次开发的导电水凝胶有望成为正在迅速增长的电子药物市场中的‘游戏规则改变者’。”