《FlexTech》：Hydrogel-Based Bioelectronics: From Therapy and Sensing to Neuromorphic Computation
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生物电子学在生命系统与电子器件之间建立双向通信，为持续健康监测、组织修复、个性化干预和智能人机界面提供了使能平台。然而，传统电子材料的机械刚性、有限的生物相容性以及低效的离子-电子耦合限制了其与柔软、湿润且动态运动的组织实现稳定集成。水凝胶提供了一种独特的解决
生物电子学在生命系统与电子器件之间建立双向通信，为持续健康监测、组织修复、个性化干预和智能人机界面提供了使能平台。然而，传统电子材料的机械刚性、有限的生物相容性以及低效的离子-电子耦合限制了其与柔软、湿润且动态运动的组织实现稳定集成。水凝胶提供了一种独特的解决方案，因为其水合三维网络能够同时容纳类组织力学性能、离子和电子传输、湿态粘附、生化交换以及治疗功能。本综述讨论了水凝胶基生物电子学在材料体系、传导机制、性能和应用方面的最新进展。首先总结了天然、合成和复合水凝胶基质，随后比较讨论了离子、电子和混合离子-电子传导及其对生物信号转导的意义。随后将关键界面性能（包括机械适应性、生物粘附和生物相容性）与三个不断发展的应用层面相联系：水凝胶赋能的组织修复治疗（涵盖伤口、骨骼和神经修复）、用于闭环干预的感知与反馈，以及涉及人工突触、忆阻器件、物理储备池和传感器内处理的神经形态生物电子学。特别关注水凝胶从被动水合接触到能够实现感知、刺激、治疗和信息处理的主动平台的转变。最后，讨论了生物集成、可规模化制造、长期稳定性和封装、人工智能集成以及标准化评估方面持续存在的挑战。通过将材料设计与器件物理、生物功能和系统级智能相联系，本综述为自适应闭环水凝胶生物电子学提供了路线图。
水凝胶基生物电子学综述：材料体系、传导机制、性能与应用
1 引言
生物电子学作为连接生物信号与电子信号的桥梁技术，在持续健康监测、疾病诊断、治疗干预、人机交互和神经计算等领域受到广泛关注。该领域正从刚性体外电极向柔软、共形且高度集成的可穿戴和植入式系统演进。在器件层面，这一转变体现在多模态传感器、高密度电生理接口、无线自供电平台以及瞬态或生物可吸收电子器件的开发中。在系统层面，研究重点正从单向信号采集或开环刺激转向能够感知生理状态、处理获取信息、实施自适应干预并监测响应的闭环平台。近年来，神经形态和传感器内计算概念被引入，通过在生物界面直接实现适应、记忆和初步信息处理来减少数据传输和功耗。
构建生物电子系统的核心挑战在于建立活体组织与电子器件之间共形、电学高效且生物学稳定的耦合。生物组织柔软、湿润、弯曲且动态变形，主要通过离子和分子过程传递信息。传统电子材料通常干燥、机械刚性且依赖电子传导。这种机械模量、表面化学、电荷传输机制和时变变形方面的失配可能导致接触不良、运动伪影、界面阻抗升高、分层以及植入器件中的慢性炎症或纤维化包裹。水凝胶是由亲水聚合物组成的三维交联网络粘弹性材料，能够保留大量水分。凭借其类组织含水量和力学性能，以及化学、电学和生物学功能的广泛可调性，水凝胶成为下一代生物电子学的有前景候选材料。水凝胶在生物电子系统中不仅是柔软的支撑材料，还可以作为主动界面，同时匹配活体组织的力学性能、离子传输、化学微环境和生物学功能。
当前研究日益聚焦于将水凝胶固有的类组织特性转化为稳定且多功能的生物界面。核心目标是建立稳健的水凝胶-电子界面，而非简单地将水凝胶与传统电极结合。低模量、粘弹性耗散和高变形能力使水凝胶能够共形贴合不规则组织表面并适应生理运动，而动态共价、超分子、静电、邻苯二酚和拓扑相互作用可在湿态环境中提供粘附。第二个主要焦点是水凝胶网络内电荷传输和电化学活性的工程化。离子导电水凝胶提供与离子生物信号耦合的类组织通路，电子导电性可通过导电聚合物、碳基纳米材料、MXene或金属纳米结构引入，而混合离子-电子导电水凝胶可介导生物组织与电子电路之间的高效信号转换。在系统层面，研究已进一步将水凝胶生物电子学扩展到多模态感知、闭环治疗系统和神经形态或传感器内计算。尽管取得了这些进展，长期水合和封装、可规模化制造、灭菌、校准和性能标准化仍是转化的重要障碍。
2 水凝胶生物电子学材料体系
2.1 天然聚合物水凝胶
天然聚合物水凝胶主要来源于蛋白质和多糖，通常表现出低毒性、生物相容性、生物可降解性、高保水能力和丰富的化学官能团。蛋白质基水凝胶（包括明胶、胶原蛋白、丝素蛋白和工程化蛋白水凝胶）因其富含氨基酸的结构提供生物活性基序、动态分子间相互作用和可调降解行为而具有吸引力。皮肤启发的全天然明胶/PCA-Na生物凝胶展示了天然聚合物基质如何在单一可降解生物界面中集成温度控制原位凝胶化、离子交联、保水性、共形粘附、离子导电性和长期电生理记录。多糖基水凝胶（包括纤维素及其衍生物、壳聚糖、海藻酸盐、透明质酸、琼脂糖、淀粉和葡聚糖）具有可再生、亲水、可生物降解和可化学修饰的特点。壳聚糖含氨基，有助于粘附、抗菌活性和pH响应性；海藻酸盐与多价阳离子形成离子交联网络，广泛用于韧性或双网络水凝胶；透明质酸因其细胞外基质相关性而具有良好的组织亲和力。天然聚合物水凝胶面临的核心挑战是将其生物学优势转化为器件级可靠性，当前策略集中于基质增强、动态交联、双网络构建、抗脱水设计和界面工程。
2.2 合成聚合物水凝胶
合成聚合物水凝胶因其分子组成、交联密度、链架构、溶胀行为和力学性能可精确调控，可作为可编程材料平台。聚乙烯醇（PVA）基水凝胶是代表性合成基质，其富含羟基的链可实现冻融诱导结晶、氢键、硼酸酯络合以及与次级组分的界面相互作用。通过物理交联水凝胶、互穿网络、有机水凝胶、低共熔凝胶和纳米复合水凝胶等结构形式，可实现可调的力学性能、粘附性、保水性和环境耐受性。聚丙烯酰胺（PAAm）和聚丙烯酸（PAA）基水凝胶提供高变形能力和广泛的网络工程设计机会，通过共价弹性与可逆物理相互作用的结合，可在重复加载过程中耗散能量、承受大变形并维持稳定的力学响应。热响应性和光交联合成水凝胶（如聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）基和聚乙二醇（PEG）/聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）基水凝胶）扩展了合成基质设计向刺激响应性和制造兼容性方向发展。两性离子水凝胶和聚氨酯基水凝胶/弹性体杂化物提供防污行为、力学弹性和类组织弹性。常见的结构-性能设计策略包括动态键合、结晶或半结晶增强、相分离和能量耗散网络。然而，合成聚合物水凝胶通常缺乏天然聚合物的内在生物活性、生物可降解性和生化识别基序，残余单体、不可降解主链、不受控溶胀、脱水和不确定的长期生物相容性仍是重要关注点。
2.3 复合/杂化水凝胶
复合和杂化水凝胶在单一材料系统中集成多种聚合物网络、交联模式、水合或溶剂化微环境和空间架构。聚合物-聚合物杂化网络是最常见的复合水凝胶基质之一，天然聚合物贡献组织亲和力、生物活性、可降解性和粘附性，而合成聚合物提供可控弹性、交联密度、韧性和加工重现性。海藻酸盐/PAAm型双网络展示了离子交联天然网络与共价合成网络如何协同平衡能量耗散和弹性恢复。溶剂和环境介导的杂化水凝胶将基质设计从聚合物网络扩展到水合微环境，甘油、乙二醇、二甲基亚砜、离子液体、盐或低共熔溶剂可调节水活性、氢键竞争、渗透平衡、冷冻行为和保湿性。有机水凝胶、离子凝胶和低共熔凝胶因此代表了可在变化温度、湿度和变形条件下运行的环境工程化基质。结构杂化提供了另一条提高基质可靠性的途径，多孔网络、各向异性结构、层状水凝胶-弹性体界面、梯度交联、打印架构和微图案化表面可调控水凝胶的变形、粘附、水分交换和与生物组织的界面作用。复合/杂化水凝胶也带来额外的设计复杂性，多组分基质可能面临相分离、溶胀不匹配、不可控降解、弱界面键合、竞争性交联反应、透明度降低和批次重现性差等问题。
3 水凝胶生物电子学的导电机制
3.1 离子导电水凝胶
离子导电水凝胶以可移动离子为主要电荷载体，其导电性源于水合聚合物网络内的离子解离、迁移、再分布和界面积累。根据可移动离子的来源和组织方式，离子导电水凝胶通常分为电解质基、含离子液体、聚电解质基和杂化离子传导系统。电解质基水凝胶通常通过将盐、酸或其他可解离物质引入亲水聚合物网络制备，但离子浓度不能无限增加，因为过量离子负载可能诱导离子对形成、聚集、渗透失衡、离子泄漏、生物相容性降低或力学性能恶化。含离子液体水凝胶、离子凝胶和低共熔凝胶将离子传导从水相电解质扩展到溶剂工程化的离子微环境，提供高离子电导率、低挥发性、宽电化学窗口和改善的抗干燥或抗冻性能。聚电解质基水凝胶通过将固定带电基团并入聚合物链，可移动反离子在水合网络中迁移，相比简单盐掺杂能更好地定位带电域并减少快速离子损失。离子导电水凝胶的传感响应源于离子传输几何、局部离子浓度、水动力学和界面阻抗的耦合变化。离子导电水凝胶仍对水合和离子环境高度敏感，未来设计需要稳定离子储库、抗冻抗干燥溶剂环境、受控反离子结合、减少离子泄漏和盐适应性网络结构。
3.2 电子导电水凝胶
电子导电水凝胶通过导电聚合物、碳纳米材料、MXene、金属纳米结构、液态金属或杂化导电域形成的连续或半连续电子通路传输电荷。其导电性取决于这些导电域在柔软水合基质中如何在变形条件下连接、稳定和保持。相关参数不仅包括导电组分的内在电导率，还包括渗流阈值、域连通性、填料-填料接触、隧穿距离、接触电阻和填料-基质界面耦合。导电聚合物（包括聚(3,4-乙撑二氧噻吩)（PEDOT）、聚吡咯（PPy）和聚苯胺（PANI））可通过π共轭主链或富导电域将电子传输通路引入水凝胶基质。碳纳米材料基水凝胶展示了纳米填料维度、分散性和界面相容性如何调控电子渗流，一维碳纳米管（CNT）因其高长径比可形成长程导电网络，二维石墨烯和还原氧化石墨烯（rGO）通过片间接触、重叠和滑动建立片状导电域。MXene具有高电导率和丰富表面化学，但氧化、再堆叠和聚集在水合环境中仍是主要问题。电子导电水凝胶应被理解为通路工程化的软导体，而非简单加载导电填料的聚合物水凝胶基质。
3.3 混合离子-电子导电水凝胶
混合离子-电子导电水凝胶将离子和电子传输耦合，实现生物界面信号转换。导电聚合物基水凝胶系统是代表性的混合导体，亲水自掺杂PEDOT集成到超分子聚合物网络中可减少相异质性并改善离子/电子通路整合。可注射PEDOT：PSS/PSBMA水凝胶通过阴离子-π相互作用、离子相互作用、π-π堆叠和疏水相互作用稳定，提供免疫相容的软导电桥，用于双向信号传导、降低界面阻抗和持续生物电子接口。混合离子-电子导电水凝胶能够高效地将生物组织的离子信号转换为电子电路的电子信号，同时支持记录和刺激功能，是水凝胶从被动水合接触层向主动多功能生物界面转变的关键机制基础。
4 水凝胶生物电子学的关键性能
4.1 机械适应性
水凝胶的机械适应性源于其低模量、粘弹性耗散和高变形能力，使其能够共形贴合不规则组织表面并适应生理运动。通过动态共价键、超分子相互作用、静电相互作用、邻苯二酚和拓扑相互作用等策略，结合增韧、自修复、防污、抗脱水和形状记忆机制，可在重复变形和长期运行期间维持接触和电学功能。双网络、纳米复合、互穿和牺牲键架构等能量耗散网络通过弱域的断裂或重排吸收机械能，同时保持承载网络。
4.2 生物粘附集成
水凝胶在湿态环境中的粘附对于建立稳定的组织-器件界面至关重要。湿态粘附可通过动态共价键、超分子相互作用、静电相互作用、邻苯二酚化学和拓扑相互作用实现。这些粘附策略与增韧和自修复机制相结合，以维持组织运动过程中的紧密接触。粘附性能需要在保持低阻抗电学接触的同时，实现应力分布和长期稳定性。
4.3 生物相容性
生物相容性是植入式和长期组织接触应用的基本要求。天然聚合物水凝胶通常表现出良好的生物相容性和生物可降解性，而合成聚合物的残余单体和不可降解主链可能引起关注。水凝胶的水合网络和类组织力学性能有助于减少机械失配和界面应力，从而降低慢性炎症或纤维化包裹的风险。免疫相容性设计，如两性离子界面和生物活性配体的引入，可进一步改善长期生物集成。
5 应用
5.1 水凝胶治疗系统
水凝胶治疗系统按组织类型分为伤口愈合、骨和软骨修复以及神经修复。在伤口愈合方面，水凝胶提供生化保护或调节、生物活性货物递送和电活性刺激功能。在骨和软骨修复方面，水凝胶基质支持细胞负载、生长因子递送和机械支撑。在神经修复方面，导电水凝胶可作为软导电桥，支持神经信号传导和电刺激，促进神经再生。水凝胶治疗系统正从单纯的被动覆盖物发展为能够主动参与组织修复过程的活性平台。
5.2 可穿戴感知与闭环干预系统
水凝胶生物电子学在可穿戴传感和闭环干预系统中发挥重要作用。通过结合电生理、机械、热、化学和生化感知与信号处理和自适应刺激，这些系统可建立生物组织与电子器件之间的双向通信。离子导电水凝胶适用于电生理记录、离子电子传感和低电压刺激，而电子导电和混合导电水凝胶支持更广泛的传感模态。闭环系统能够感知生理状态、处理信息、实施自适应干预并监测响应。
5.3 神经形态计算与传感器内处理
神经形态水凝胶器件可实现短期记忆、突触可塑性、信号适应和靠近传感界面的初步信息处理，从而减少数据传输需求和功耗。人工突触、忆阻器件、物理储备池和传感器内处理是水凝胶神经形态生物电子学的主要研究方向。通过在水凝胶基质中实现离子-电子耦合和电化学掺杂/去掺杂过程，可模拟生物突触的权重更新和记忆行为。这些器件为在生物界面直接实现适应、记忆和初步信息处理提供了途径。
6 挑战与展望
尽管取得了显著进展，水凝胶生物电子学仍面临若干持续挑战。生物集成方面，需要实现长期稳定的组织-器件界面，同时避免慢性炎症和纤维化包裹。可规模化制造方面，需要开发兼容工业生产的制备工艺，确保批次重现性和器件一致性。长期稳定性和封装方面，水凝胶的脱水、溶胀失控和性能衰减仍需解决。人工智能集成方面，需要将神经形态器件的计算能力与AI算法相结合。标准化评估方面，需要建立统一的性能评价标准和测试方法。通过连接基质化学和传输机制与组织接口、治疗作用、感知反馈和计算功能，水凝胶正从简单的柔性电极材料发展为能够实现生物与电子系统之间双向和日益智能化通信的活性类组织介质。
