综述：用于可穿戴和植入式传感与治疗的纤维型软生物电子学

《BMEMat》：Fiber-type soft bioelectronics for wearable and implantable sensing and therapy

本综述系统总结了纤维型软生物电子学的最新进展，重点阐述了其通过材料创新（如弹性体、凝胶、液态金属）和结构设计（如核壳、多通道）实现与生物组织（脑、心、肠等）的机械匹配（杨氏模量、拉伸性），从而在动态生理环境中实现长期稳定的生理信号（EEG、ECG、EMG等）监测和精准治疗干预（电刺激、药物输送、光热疗法）。文章还探讨了从单纤维到纱线、织物的制造策略（纺丝、涂层、编织）及其在健康管理和疾病诊疗中的广阔应用前景。

　　

纤维型软生物电子学：革新可穿戴与植入式医疗技术

引言

传统的刚性生物电子材料由于与生物组织（如皮肤、肌肉、内脏）之间存在机械刚度不匹配，常常引发不必要的免疫反应，并在体内表现出较差的长期稳定性。为了应对这一关键临床挑战，纤维型软生物电子学应运而生，它通过使用柔软、可拉伸的材料，显著增强了与生物系统的机械兼容性，减少了组织损伤，并实现了稳定、长期的功能。这些设备能够与动态的体内环境无缝集成，其固有的机械灵活性和结构适应性使其能够在身体的受限敏感区域和高度活动的广阔区域应用。

设计策略与核心要求

纤维型软生物电子学旨在精确监测生理状态，捕获广泛的物理、电化学和电生理信号以及生物分子浓度。其设计需满足几个关键要求。首先，高导电性和拉伸性至关重要，以确保在物理变形下保持电气功能，这对于动态生物环境中的可靠性能必不可少。低表面阻抗和高电化学灵敏度则确保了能够检测由特定物质、离子或化学反应引起的微小电变化。模量匹配和柔软性对于确保纤维型软生物电子学与生物组织之间的机械兼容性至关重要，能有效最小化由机械失配引起的组织损伤、刺激和炎症风险。最后，长期可用性要求这些设备在延长与生物组织相互作用期间保持其功能性、结构完整性和生物相容性。

材料策略：构建高性能纤维

纤维型软生物电子学的制造可以通过减薄传统刚性材料来实现柔性和柔软性，或者利用固有的柔软和可拉伸材料。后者通常通过将软基质材料与功能性纳米填料结合形成纳米复合材料来实现。基质材料主要分为三类：天然材料（如羊毛、丝绸蛋白，具有良好的生物相容性和可生物降解性）、弹性体（如TPU、SEBS、PDMS，具有低杨氏模量和高拉伸性）以及凝胶（如壳聚糖、藻酸盐，具有独特的半固体性质，杨氏模量可调，确保与组织的机械兼容性）。填料则包括金属纳米材料（如AgNWs、AuNPs，用于增强导电性）、碳基纳米材料（如SWCNTs、石墨烯、MXene，提供高机械强度和电化学敏感性）、液态金属（如EGaIn、Galinstan，具有高导电性和应变不敏感性）、功能性聚合物（如PEDOT:PSS、Ppy、PANI，可增强导电性或引入特定功能）以及金属氧化物纳米材料（如MnO₂、ZnO，可提供催化、压电等特性）。这些填料的尺寸、形状和浓度影响渗流网络的形成，从而显著决定软纤维的整体物理和功能特性。

制造策略：从纤维到织物

纤维的制造策略多种多样，主要包括纺丝、涂层和其他技术。纺丝方法包括熔融纺丝（将热塑性聚合物加热至熔融状态后挤出）、干法纺丝（聚合物溶液在空气中溶剂蒸发）、湿法纺丝（将聚合物溶液挤入凝固浴中固化）、静电纺丝（利用电场制造超细纤维）以及交替挤出纺丝（顺序挤出多种溶液以形成连续段）等。涂层方法则包括浸涂（将纤维浸入涂层溶液中以形成均匀涂层）和电喷雾涂层（利用高压电场将涂层材料喷涂到纤维表面）。此外，还有滚动（将聚合物或复合材料薄膜包裹在针上形成圆柱形纤维）和模塑（将材料注入模具中成型）等技术。制造出的纤维可以通过加捻和涂层等方法进一步加工成纱线。而织物则可以通过编织（经纬线直角交织，强调稳定性和强度）、针织（纤维环状连接，提供优异的拉伸性）和刺绣（将纤维或纱线以特定图案缝制在基底织物上）等策略来制造，从而提供更大的表面积，提高电子设备的灵敏度，并支持复杂功能系统的集成。

应用前沿：可穿戴与植入式设备

纤维型软生物电子学在可穿戴和植入式应用中展现出巨大潜力。在可穿戴健康监测方面，例如，受皮肤触觉小体启发的摩擦电微弯曲敏感纤维被集成到织物中，能够有效测量脉搏信号和监测肌肉活动。自供电伤口敷料整合了摩擦纳米发电机（TENG）和热催化材料，可提供局部电刺激并产生活性氧，加速伤口愈合和预防感染。具有中空多孔结构的TPU纤维则可用于热疗应用，并表现出优异的应变和压力传感能力。在植入式生理信号监测方面，基于分子印迹聚合物（MIP）技术的纤维传感器能够特异性检测多巴胺代谢产物高香草酸（HVA）。具有激光诱导石墨烯（LIG）和金属纳米颗粒的“NeuroString”纤维能够以高灵敏度实时监测大脑和肠道中的单胺类神经递质（如多巴胺、血清素）。在植入式治疗应用方面，由藻酸盐、PEGDA和聚丙烯酰胺（pAAM）制成的水凝胶光学纤维可用于深部组织光热治疗和光遗传学刺激。基于CNT纤维的生物超级电容器可以利用葡萄糖氧化产生能量，并为坐骨神经提供电刺激。通过热拉伸工艺制造的多功能纤维能够同时在大脑和肠道之间传输光信号、电信号以及输送药物或营养物质，用于研究肠-脑轴功能。

结论与展望

纤维型软生物电子学为在动态生理环境中长期运行提供了一个机械顺应性好、生物集成度高的平台。其固有的柔软性、拉伸性和尺寸可扩展性使其能够与弯曲和运动的组织形成精确的界面，为连续传感、局部刺激和按需治疗干预奠定了基础。将多种功能集成到单根纤维中，并进一步组装成纺织品规模的系统，已将其应用范围扩展到可穿戴、植入式和再生医疗技术领域。然而，要充分实现这些系统的潜力，仍需解决材料平台的长期稳定性、机械固定和组织粘附、系统级集成（如电源模块、信号处理器）、部署和输送方法以及长期功能可靠性等相互关联的挑战。通过跨学科的努力，这些技术有望支撑下一代用于健康监测、疾病干预和组织调节的生物电子系统。