综述：基于水凝胶的压电材料与器件在植入式生物电子学中的应用

本综述系统探讨了压电水凝胶（PHs）这一新兴领域，聚焦其将水凝胶的柔韧性、生物相容性与压电材料的能量转换能力相结合的优势。文章详细阐述了PHs的材料分类（陶瓷、聚合物、纳米复合材料）、制备策略及其在生理环境下的器件性能，并重点评述了其在皮肤伤口愈合、周围神经再生及骨软骨修复等生物医学应用中的巨大潜力，为开发自驱动（self-powered）植入式生物电子器件提供了前瞻性视角。

　　

引言

植入式生物电子学正经历从刚性、笨重的硅基电子设备向柔软、微型化、共形化平台的范式转变，这些新平台能够与生物组织无缝集成。大多数传统生物电子系统由硬质金属或半导体材料制成，由于这些材料与天然组织在尺寸和力学性能上存在显著差异，其固有的慢性炎症风险不容忽视。这种不相容性常常损害信号传导，并导致需要重复进行外科手术干预，从而增加患者不适和临床负担。理想的生物组织界面材料应表现出与原生环境相似的力学顺应性和生物相容性。此外，传统植入式设备由寿命有限的电化学电池供电，需要定期充电或更换，这增加了侵入性操作的频率。这些挑战凸显了对替代能量收集策略的迫切需求，以实现无电池、微型化且患者顺应性好的生物电子系统。

人体是一个持续且丰富的生化能和生物机械能来源，这些能量产生于血液循环、心跳、呼吸运动和日常活动等生理过程。受此启发，多种能量收集技术被探索，例如压电、摩擦电、机电和磁弹性系统。其中，压电能量收集器因其无需外部电源即可将生物机械能转化为电信号的内在能力而受到广泛关注。其基本机制涉及压电材料晶体结构中的偶极矩在响应外部机械应力时发生偏移，从而产生压电电位。

高性能压电材料通常是无机陶瓷，如钛酸钡（BTO）、氧化锌（ZnO）、铌酸钾钠（KNN）和锆钛酸铅（PZT），以及石英等单晶。然而，它们固有的刚性和脆性限制了其在柔软、共形的生物医学设备中的应用。相比之下，压电聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE)），提供了更好的柔韧性和可加工性，尽管其压电输出比陶瓷对应物有所降低。因此，迫切需要将压电材料与柔软、顺应的基质相结合，以实现能量收集功能和组织相容性。在软材料中，已有弹性体（如PVDF与聚丙烯腈（PAN）结合）和复合材料（如聚降冰片烯纳米颗粒混合到聚二甲基硅氧烷（PDMS）基质中）的报道。然而，它们通常表现出较低的介电常数，并且难以制造出共形的仿生结构（大多局限于薄膜）。

水凝胶是一类极具前景的生物材料，具有高孔隙率、保水性、可调节的力学性能以及与细胞外基质（ECM）强烈的结构相似性。它们可以通过引入功能性纳米材料而被设计成具有额外的功能，如刺激响应性、组织粘附性和生化信号传导能力。尽管水凝胶本身不具有电活性，但可以通过功能化压电材料形成称为压电水凝胶（PHs）的复合系统，在保留水凝胶理想特性的同时获得自供电能力。

PHs在广泛的生物医学应用中日益受到探索，利用了软水凝胶和能量收集压电组件的协同优势。然而，尽管前景广阔，关于如何合理设计和定制PHs用于特定生物医学目的的系统性理解仍然不足。本综述概述了压电水凝胶的最新进展，重点讨论了为各种医学应用设计多功能材料的未来方向。

压电材料

压电效应由雅克和皮埃尔·居里于1880年首次发现，指的是某些材料在施加机械应力（如拉伸、压缩或弯曲）时产生电荷的现象。该现象源于材料内部电荷域的重排，从而产生电势。该效应最初在石英和罗谢尔盐等天然晶体中观察到，现已在具有非中心对称晶体结构的合成材料中得到广泛应用。

压电水凝胶（PHs）的分类

水凝胶被定义为可以吸收并保留大量水的三维亲水聚合物网络。压电水凝胶（PHs）是通过将压电功能引入水凝胶基质中而开发的，方法可以是嵌入无机填料，或使用本征压电聚合物作为结构组件。根据其来源，PHs通常分为两大类：天然和合成。天然PHs来源于生物材料。

伤口愈合

伤口愈合经过四个协调的阶段：止血、炎症、增殖和重塑。受伤后，血小板聚集和纤维蛋白凝块形成启动止血，随后迅速发生炎症反应，涉及中性粒细胞和单核细胞的募集。这些免疫细胞分化为巨噬细胞，清除碎片、细菌和受损组织，同时分泌趋化因子和生长因子（GFs）以促进组织修复。

结论与未来展望

我们回顾了压电水凝胶这一新兴领域，其通过微创电刺激（ES）促进组织修复。已知ES能在组织和器官水平促进不同的细胞过程和生理活动。然而，由于侵入性电极、炎症、患者依从性差等多种因素，ES的临床采用 largely 未成功。压电水凝胶提供了颠覆性创新，可自我产生所需的电刺激水平。