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这篇综述聚焦于可穿戴和植入式生物电子学的前沿进展。阐述了粘性生物电子学在实现组织粘附和长期稳定方面的成果，探讨其在闭环治疗（如神经调节、康复治疗）中的应用，还对未来发展方向进行展望，为相关领域研究提供全面参考。
软生物电子学 - 组织界面
软生物电子系统由导电和绝缘材料组成的被动及主动组件构成，能检测、放大和处理生理信号。不同组织（如皮肤、大脑、心脏等）的杨氏模量、最大应变和环境条件各异，这就要求根据组织特性定制生物电子学的粘附机制和设备结构。
- 皮肤：皮肤具有高柔韧性和弹性，能伸展约 60%，且会分泌多种生理物质。因此，皮肤穿戴设备需具备高可拉伸性、透气性、便携性和微创性，良好的贴合接触对提高信号质量至关重要。
- 大脑：大脑弹性模量低、脆弱，易受机械失配影响。同时，大脑会因心跳、呼吸和脑脊液动力学而持续变形，表面褶皱复杂。所以，大脑接口设备要高度贴合、减少机械失配并牢固固定。
- 心脏：心脏是不断收缩和舒张的肌肉，监测心脏电生理信号对心血管疾病诊断和治疗意义重大。心脏接口设备必须柔软、可拉伸、轻便，能承受 30% 的应变且不干扰心脏正常功能。
- 周围神经：周围神经系统负责传递感觉和运动信息，周围神经接口需采用无创方法，材料要柔软，以确保在肌肉运动时设备稳定耐用。
- 肌肉：肌肉收缩会产生肌电图（EMG）信号，植入式肌肉设备需具备弹性和抗疲劳性，凝胶状设计更适合肌肉损伤情况。
稳定粘附的局限性和应用现状
组织和设备在贴合接触和粘附方面相互影响，多种因素限制了生物电子学与组织的稳定粘附。
- 机械性能：设备和组织的模量相似性影响设备的稳定附着。刚性过强的设备会损伤组织，而模量过低又难以固定。采用含网格或应变梯度结构的软可拉伸电子设备，可有效分散应力，防止过度变形。
- 拓扑结构：不同器官组织拓扑结构复杂，设备若不能贴合，会导致信号获取不准确、阻抗不稳定等问题。使用能适应组织表面的界面材料可解决这些问题。
- 组织动力学：组织的动态运动会产生压力和力，影响设备性能。设计具有高可拉伸性、抗疲劳性以及能量耗散和自愈合机制的设备，可使其适应组织运动。
- 生物流体环境：体内生物流体阻碍设备与组织的直接接触，甚至导致设备失效。用干的生物粘附水凝胶涂层可解决这一问题，它既能保证强粘附，又能吸收组织表面的生物流体保护设备。
- 化学环境：体内化学环境中的离子、酶和活性氧物种（ROS）等会腐蚀电子元件。添加抗菌材料可抑制细菌生长，减少设备腐蚀。
- 免疫反应：植入式设备会引发异物反应，导致纤维化组织形成，使设备与周围组织分离。使用高粘附水凝胶层和抗炎分子可减轻免疫反应。
贴合组织粘附的机制
理想的生物电子接口应贴合组织，与组织表面拓扑结构紧密且无限制地相互作用，并能承受组织动态产生的长期机械变形。实现这一目标依赖于组织粘附材料和设备特性，包括机械柔韧性等。
- 粘附的机械设计：生物电子设备的总允许厚度是确保在组织表面贴合粘附和防止设备故障的关键因素。减小厚度可增强贴合覆盖和粘附，通过设计超薄膜结构可提高传统刚性材料的柔韧性和贴合性。受壁虎和章鱼的启发，开发表面纳米结构和微结构吸盘，可增强在湿表面的粘附力。
- 粘附的化学设计：受贻贝粘附蛋白的启发，利用多巴胺在水溶液中的特性，开发了用于组织粘附生物电子学的简单通用方法。干交联机制可去除接触表面的界面水，促进与湿组织的粘附。拓扑缠结提供了一种不依赖反应基团化学的界面粘附物理机制，但对组织的渗透性有要求。
贴合皮肤的粘性生物电子学
将软生物电子系统直接集成到皮肤表面，可实现对体内生理信号的监测、诊断和治疗。
- 宫本等人开发的轻质可拉伸皮肤电子设备，采用纳米结构的 Au 网格网络，能贴合指尖皮肤纹理，不干扰汗液分泌，且在测量 EMG 信号时阻抗较低。
- 金等人开发的贴合表皮的电子系统，与表皮的弹性模量、弯曲刚度和质量密度相匹配，可测量心电图（ECG）和 EMG 信号，且不会引起皮肤刺激。
- 受范德华（VDW）相互作用启发，严等人创建的独立 VDW 薄膜（VDWTFs）能与皮肤微观拓扑结构良好匹配，可减少运动伪影并放大 ECG 信号。
- 金等人开发的可注射粘性传感器，受罗勒籽核壳结构启发，具有应变敏感的离子导电性，可用于构建人机交互界面（iHMI）。
- 王等人开发的皮肤粘附超声设备，通过柔软坚韧的水凝胶 - 弹性体耦合层，可实现对多种组织的 48 小时连续成像。
机械设计的可植入贴合组织的粘性生物电子学
近年来，软生物电子学致力于开发与生物组织紧密接触的电子接口。
- 金等人使用丝绸作为临时可溶解支撑，创建了超薄生物电子接口，该接口在干燥薄膜形式下机械坚固且灵活，与猫的视觉皮层贴合良好，能实现高质量信号记录。
- 赵等人开发的弹性导体，由蒸发在超薄 PDMS 基板上的金微裂纹制成，能贴合坐骨神经，可有效刺激传递和信号记录。
- 金等人开发的混合生物电子粘合剂，受章鱼吸盘和树蛙脚趾垫的启发，能有效粘附多种活组织，可稳定记录电生理信号。
化学设计的可植入贴合组织的粘性生物电子学
传统手术固定方法存在组织损伤和形成纤维囊等问题，而集成化学工程组织粘附水凝胶层的软可拉伸生物电子学备受关注。
- 李等人开发的有机电化学晶体管（OECTs），通过双网络结构直接将半导体通道附着到组织表面，能在应变下保持稳定的心电图记录。
- 成等人开发的应变梯度粘性和应变梯度人工神经外膜（SSGAE），可实现无缝神经修复，在多种动物模型中有效促进神经功能恢复。
- 李等人开发的形状变形皮层粘附传感器（SMCA），能自主贴合大脑皮层表面，可用于检测高频振荡（HFOs），为闭环经颅聚焦超声（tFUS）神经刺激提供反馈。
- 崔等人开发的应变自适应纤维互锁电子（SAFIE）贴片，能快速贴合心脏表面，可准确监测心脏活动，对心律失常等疾病的监测和治疗有重要意义。
闭环治疗
- 闭环神经调节治疗：记录神经生理活动（如 ECoG、iEEG 和 EMG）与神经调节技术相结合，对神经科学研究和神经系统疾病治疗至关重要。欧阳等人开发的无线、无电池、完全可植入系统，能实现自主闭环神经记录和神经调节，可有效缓解癫痫发作。tFUS 作为一种新兴的非侵入性刺激技术，在治疗神经系统疾病方面有潜力，但存在定位不准确等问题。李等人开发的闭环系统，结合 SMCA 传感器，可实现基于实时反馈的 tFUS 控制，有效抑制癫痫发作。
- 闭环康复治疗：神经系统疾病会严重影响患者生活质量，神经康复设备可恢复运动功能。李等人开发的可拉伸神经形态传出神经（SNEN），能绕过受损的电生理信号通路，控制小鼠腿部肌肉运动，有望恢复动物的运动能力。金等人开发的可注射导电水凝胶，具有低电阻抗、良好的机械模量兼容性等特点，可用于快速组织修复和闭环机器人辅助康复，能有效促进肌肉功能恢复。
系统级集成
闭环系统利用实时生物信号反馈连续调节治疗干预，与粘性生物电子学集成可提高治疗效果。
- 用于闭环神经调节的粘性生物电子学：神经调节结合闭环系统可增强治疗效果，粘性生物电子学能确保系统稳定运行。通过持续监测 ECoG 信号，可在检测到异常活动时进行实时治疗。
- 用于闭环康复的粘性生物电子学：闭环康复结合可穿戴和植入式设备，对神经和肌肉严重损伤患者的治疗效果显著。基于粘性界面的闭环机器人辅助康复，可根据肌肉 EMG 信号触发机器人辅助，帮助患者恢复运动功能。
- 贴合皮肤的可穿戴系统：可拉伸记忆系统和皮肤显示技术，可存储和显示生物电子学获取的实时信息，为用户提供便利，有望通过与假肢和虚拟现实技术集成，提高用户生活质量。
- 互连：生物电子学与印刷电路板（PCBs）集成时，互连稳定性是关键问题。纳米复合材料（如银片和自愈合聚合物（SHP）的组合）可作为可拉伸互连，但存在分辨率低的问题，需采用传统光刻技术进行图案化处理。
- 封装：软生物电子学需合适的封装层保护，防止受到体内生物流体和氧气的影响。封装层应具有疏水性，既能防止生物流体渗透和外部损伤，又能提供结构支持，但封装会增加设备厚度，降低周围组织的透气性，可能导致感染和纤维化组织形成，因此需在设备稳定性和生物相容性之间找到平衡。
结论和未来展望
软生物电子学的发展为即时护理和个性化治疗带来了新范式，但仍面临长期植入设备性能维持、炎症反应预防和稳定插入等挑战。未来的研究方向包括：
- 有源电极：与无源电极相比，有源电极（如 OECTs）能在现场放大信号、降低连接噪声、减少功耗，提高信号质量和信噪比，推动可穿戴和植入式设备的发展。
- 超薄电极：通过在电极上涂覆水凝胶并干燥，可在保持超薄结构的同时增强组织粘附力，开发出透气、贴合的电子设备，提高用户舒适度。
- 细胞嵌入水凝胶电子学：在植入前对电极进行细胞预培养，可促进组织再生、减少异物反应，但需确定合适的细胞培养数量，以避免影响传感和刺激功能。
- 生物聚合物材料：使用天然衍生的生物聚合物（如胶原蛋白、纤连蛋白等），可创造与天然组织相似的环境和机械性能，减少炎症反应，有望推动生物相容性和可生物降解植入式电子设备的发展。
此外，实现软生物电子学的大规模生产和商业化也至关重要，需要优化制造工艺、确保材料质量均匀、降低成本，并进行长期临床试验评估其安全性和有效性。
