综述：低维材料在生物电子器件中的应用

《Nature Reviews Bioengineering》：Low-dimensional materials for bioelectronic devices

本综述系统梳理了低维材料在生物电子系统中的特性与应用，重点探讨其如何突破传统硅基材料和导电聚合物（如PEDOT）在机械适配性、电导率和生理环境稳定性方面的局限，为微型化、无线化生物电子平台（用于实时监测、诊断与治疗）提供材料设计策略。

　　

材料特性需求与现存挑战

传统生物电子系统面临核心矛盾：刚性硅基材料与人体软组织间的机械性能失配会引发组织炎症和信号失真，而柔性导电聚合物（如聚(3,4-乙烯二氧噻吩) PEDOT）虽具备一定延展性，却受限于低电导率（<10³ S cm^?1）、表面化学功能单一及在体液环境中稳定性不足的问题。这促使研究者寻求兼具高电导率、机械柔韧性、化学稳定性和生物相容性的新型材料体系。

低维材料的特性优势

低维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物(TMDs)、MXenes等）通过维度调控展现出独特优势：

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  电学性能：石墨烯室温载流子迁移率可达2×10⁵ cm² V^?1 s^?1，远高于传统聚合物；
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  机械适应性：二维材料杨氏模量接近生物组织（数kPa至GPa区间可调），可实现共形贴附；
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  表面化学：高比表面积允许功能化修饰（如肽链接枝、抗体固定），增强生物分子识别能力；
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  稳定性：MXenes在生理液中保持电导率>10⁴ S cm^?1超过30天，优于有机材料。

按器件组件的材料应用

传感单元

石墨烯场效应晶体管（FETs）凭借原子级厚度和高电荷灵敏度，可检测皮摩尔级浓度的生物标志物（如葡萄糖、多巴胺）。MoS₂纳米片由于直接带隙特性，适用于光电传感，例如心肌钙蛋白I（cTnI）的光电化学检测。

柔性电极

银纳米线（AgNWs）与石墨烯复合电极可将界面阻抗降至5 kΩ以下（频率100 Hz时），显著提升脑电（EEG）信号信噪比。碳纳米管（CNTs）纤维电极在拉伸率>100%时仍保持导电性，适用于动态组织表面信号采集。

能量模块

二维材料助力微型化能源系统：

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  生物燃料电池：石墨烯基电极催化葡萄糖氧化，输出功率密度达100 μW cm^?2；
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  摩擦纳米发电机（TENGs）：功能化MXenes薄膜可将机械运动（如心跳）转化为电能，效率>20%；
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  超级电容器：垂直排列CNTs阵列比容量>150 F g^?1，支持脉冲式供电需求。

封装与集成

氮化硼（h-BN）薄膜作为绝缘屏障，水汽透过率<10^?6 g m^?2 day^?1，延长植入器件寿命。自愈合水凝胶封装层可在机械损伤后恢复屏障功能，提升系统可靠性。

无线化与互联健康应用

低维材料支撑的微型平台结合近场通信（NFC）和蓝牙低功耗（BLE）技术，实现生理数据云端传输。例如：石墨烯-金纳米粒子复合贴片可同时监测心电图（ECG）、肌电图（EMG）和局部pH值，并通过智能手机应用预警心律失常。

未来展望

当前挑战集中于大规模材料标准化制备、长期体内生物安全性评估及多模态信号串扰抑制。未来研究方向包括开发异质结材料（如WSe₂/MoS₂垂直堆叠）以增强器件功能密度，以及利用机器学习算法解析多维生理数据流。