特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（米測 技術中心）
編輯丨風云
不同的電子設備通常具有配對的標準化接口，其形狀和尺寸可以彼此完美匹配，非常容易實現連接。然而，生物組織很柔軟并且具有任意的形狀和尺寸，其電子接口無法標準化。因此，使用軟彈性體和形狀記憶材料的形狀包裹生物電子學最近引起了極大的關注，因為它們可以與組織很好地接合，并且可以承受動態環境而無需額外的縫合固定過程。
然而，形狀包裹電子學仍存在以下問題：
1、制備具有大而快速收縮的刺激響應性薄膜具有挑戰性
熱收縮膜可以實現形狀自適應包裹和覆蓋不規則尺寸和形狀的物體，但通常比組織硬得多，且在高于90°C的溫度下才會收縮，不適合生物應用。
2、目前開發的生物材料存在響應慢、穩定性差的問題
目前已報道的材料可以在不同刺激下快速收縮，然而，這些體溫響應性材料要么表現出緩慢收縮，要么在室溫下不穩定。
3、將水凝膠與電子材料的結合具有極大的挑戰
水是一種良性刺激，但過于密集的氫鍵會阻礙超收縮，而稀疏的氫鍵在環境濕度下不穩定，使用水制備合成超收縮材料具有挑戰性且與軟組織不兼容。水凝膠被認為與組織更相容，但由于水化層和不同的表面能，將水凝膠與其他電子材料結合仍然具有挑戰性。
有鑒于此，南洋理工陳曉東、新加坡科學技術研究局Huajian Gao、深圳先進技術研究院劉志遠、南京醫科大學胡本慧等人受蜘蛛絲的啟發，設計了由聚環氧乙烷和聚乙二醇-α-環糊精包合物組成的水響應性超收縮聚合物薄膜，它們在環境條件下最初是干燥的、柔性的和穩定的，在潤濕后的數秒(每秒約30 %)內收縮超過其原始長度的50 %，然后成為柔軟的(約100?k Pa)和可拉伸(約600 %)的水凝膠薄膜。這種超收縮歸因于薄膜排列的微孔分層結構，這也有利于電子集成。作者使用這種薄膜來制造形狀自適應電極陣列，并在濕潤時將不同大小的神經、肌肉和心臟保形包裹，用于在體神經刺激和電生理信號記錄。這項研究表明，這種水響應材料可以在塑造下一代組織-電子界面以及拓寬形狀自適應材料的生物醫學應用方面發揮重要作用。
技術方案：
1、制備了超收縮WRAP薄膜
作者制備了不同伸長率的WRAP薄膜，證實了該薄膜具有類蜘蛛絲的超收縮能力和良好的環境穩定性，WRAP電極具有良好的生物相容性。
2、表征了WRAP薄膜的微觀結構并探究了超收縮機理
作者通過SEM、FT-IR、DSC和2D-WAXS和模擬等數據表明了WRAP薄膜的超收縮、結構形成和收縮后穩定性的機制。
3、制備了水響應形狀自適應電極
作者使用WRAP薄膜制造了用于周圍神經刺激和電生理信號記錄的WRAP電極陣列，具有小的電化學阻抗、可拉伸性、更高的電荷注入能力和穩定性。
4、制備了植入式WRAP電極
作者將形狀自適應WRAP電極應用于生物組織，證實了該電極可用于記錄大鼠再生周圍神經接口（RPNI）上的肌電圖信號和大鼠心臟的心外膜電圖(EGM)。
技術優勢：
1、開發了與軟組織和電子制造工藝兼容的形狀自適應聚合物薄膜
作者報告了干燥、柔性和獨立式水響應形狀自適應聚合物（WRAP）薄膜，該薄膜在環境條件下穩定，潤濕時快速且大幅收縮，然后轉化為柔軟且可拉伸的水凝膠薄膜，與軟組織和平面電子制造工藝兼容。
2、實現了伸長率范圍218%~700%的水響應形狀自適應聚合物薄膜
作者通過定向由聚乙二醇（PEG）-α-環糊精（α-CD）包合物結晶域交聯的水溶性半結晶聚（環氧乙烷）（PEO）域來構建WRAP薄膜，生產了伸長率范圍為218%至 700%的WRAP薄膜。
技術細節
超收縮WRAP薄膜
圖 超收縮WRAP薄膜
微觀結構和超收縮機理
圖 WRAP薄膜的微觀結構和超收縮機理
水響應形狀自適應電極
圖 水響應形狀自適應電極陣列作為植入式刺激和記錄電極
植入式WRAP電極
圖 用于RPNI、心外膜記錄和微創植入的WRAP電極
總之，作者使用合成材料α-CD、PEG和PEO的組合制備了WRAP薄膜，以實現蜘蛛絲般的超收縮。WRAP 薄膜在環境條件下最初是干燥、柔韌且穩定的，當濕潤時會立即大幅收縮，并轉變成柔軟且可拉伸的水凝膠薄膜。WRAP薄膜具有由包合物結晶域和定向PEO域構成的排列、微孔分層結構?；赪RAP薄膜，制造了可按需快速收縮的電極陣列，顯著簡化并加快了設備植入程序。這些電極陣列具有形狀適應性，因此可以保形地包裹在神經、肌肉和心臟等不同大小和形狀的組織周圍，實現神經刺激和電生理信號記錄。
參考文獻：
Yi, J., Zou, G., Huang, J. et al. Water-responsive supercontractile polymer films for bioelectronic interfaces. Nature 624, 295–302 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06732-y
