高性能電子/光電系統(tǒng)與軟組織的緊密集成所產(chǎn)生的能力有可能成為診斷和治療疾病的革命性方法的基礎(chǔ)。一個共同的愿景是，技術(shù)與生物學的協(xié)同、雙向結(jié)合將建立以補充傳統(tǒng)技術(shù)的方式改善健康和延長壽命的途徑。在所有情況下，這些非生物和生物系統(tǒng)之間的物理接口必須能夠?qū)崿F(xiàn)軟機械耦合和功能性光/電/化學交換。基于手術(shù)縫合線、U形釘、袖帶或夾子的結(jié)構(gòu)技術(shù)具有一定的實用性，但它們會對組織和設(shè)備造成損害，并且通常會導(dǎo)致不利的免疫反應(yīng)和機械不穩(wěn)定性。
用于組織修復(fù)、藥物輸送和傷口敷料的現(xiàn)有粘合劑可能有用，但這些材料無法滿足生物電子-組織界面的所有基本要求。粘合劑必須提供強大的粘合力，不僅對生物組織，而且對具有機械、幾何和化學特性的電子設(shè)備表面同樣需要。為了支持設(shè)備和組織之間的功能性電子或光學交換，高透光率和適當水平的離子電導(dǎo)率也很重要。對于瞬態(tài)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用，化學物質(zhì)必須適應(yīng)提供生物再吸收性的設(shè)計，其速率與臨時植入物的用例相匹配。
成果簡介
鑒于此，美國西北大學John A. Rogers院士、Yevgenia Kozorovitskiy和喬治華盛頓大學Igor R. Efimov等人介紹了一種功能性粘附生物電子-組織界面材料 (bioelectronic–tissue interface material, BTIM)，其形式為機械柔順、導(dǎo)電和光學透明的封裝涂層、界面層或支撐基質(zhì)。成果發(fā)表在Nature Materials上。
材料設(shè)計
BTIM 結(jié)合了光固化共價網(wǎng)絡(luò)（聚乙二醇-丙交酯二丙烯酸酯，PEG-LA-DA）與離子網(wǎng)絡(luò)（海藻酸鈉，SA），可在應(yīng)用于組織電子表面時快速形成。其結(jié)果是得到一種具有類似蜂蜜的初始粘度的材料，可以流動以適應(yīng)復(fù)雜的表面。化學設(shè)計支持原位與界面兩側(cè)的牢固結(jié)合。復(fù)雜組織電子表面的共形覆蓋使多種策略能夠解決不同類別的生物組織和電子系統(tǒng)。光聚合導(dǎo)致液固轉(zhuǎn)化和粘合，無需施加力，從而促進手術(shù)過程并降低脆弱組織或精密電子設(shè)備損壞或過度變形的可能性。
圖|用于連接生物電子器件與生物組織的軟界面材料
可吸收
這些 BTIM 是高度透明的，具有由網(wǎng)絡(luò)中離子運動產(chǎn)生的導(dǎo)電性，可滿足廣泛類型的光電和生物電子設(shè)備的要求。乳酸單元連同藻酸鹽和殼聚糖成分，允許通過自然過程以明確的速率完全受控地在體內(nèi)吸收，從而解決臨時植入物的機會，旨在消除手術(shù)切除程序的成本和風險。
圖|BTIM 的表征
牢固結(jié)合
研究表明，這些材料與裝置的表面和不同內(nèi)部器官的表面都牢固結(jié)合，并在幾天到幾個月的時間內(nèi)穩(wěn)定粘附，其化學性質(zhì)可允許定制為以受控速率進行生物再吸收。
生物醫(yī)學應(yīng)用
活體動物模型的實驗演示了一些設(shè)備應(yīng)用，包括：用于深部腦光遺傳學和皮下光療的無電池光電系統(tǒng)（穩(wěn)定且不會引發(fā)炎癥）、無線毫米級起搏器和柔性多電極心外膜陣列。這些結(jié)果突出了此類粘合劑材料帶來的廣泛可能性。此外，這些進展在目前用于動物模型研究的幾乎所有類型的生物電子/光電系統(tǒng)中都具有即時適用性，并且它們還具有未來治療威脅生命的疾病和障礙的潛力。
圖|無線光電與背部皮下組織之間的軟粘合劑界面
圖|粘附在心外膜上的超薄柔性 MEA
小結(jié)：
綜上所述，本文描述的結(jié)果涵蓋了生物電子-組織界面用功能性軟粘合材料的材料配方、整合方案和體內(nèi)評估等主題。對化學、機械、電學和光學特性的系統(tǒng)研究明確了該系統(tǒng)的關(guān)鍵材料科學方面。在動物模型中進行的綜合評估說明了所有的基本特征，以及它對跨多個器官的各種生物電子設(shè)備的適用性。這些材料策略在動物模型的生物學研究中具有直接的應(yīng)用潛力，并有望最終用于人類。這些概念也可能成為進一步開發(fā)高級生物-非生物界面的起點，以支持急性和慢性醫(yī)療應(yīng)用中的多功能診斷和治療。
參考文獻：
Yang, Q., Wei, T., Yin,R.T. et al. Photocurable bioresorbable adhesives as functional interfacesbetween flexible bioelectronic devices and soft biological tissues. Nat. Mater.(2021).
https://doi.org/10.1038/s41563-021-01051-x
