近期，東華大學(xué)毛吉富研究員在科愛(ài)出版社創(chuàng)辦的期刊 Bioactive Materials 上發(fā)表綜述文章：生物醫(yī)用導(dǎo)電纖維。從生物電對(duì)細(xì)胞活動(dòng)和組織功能的調(diào)節(jié)作用和導(dǎo)電纖維的突出優(yōu)勢(shì)出發(fā)，綜述了近年來(lái)生物醫(yī)用導(dǎo)電纖維的成型方法，討論了其在組織修復(fù)與再生、可植入生物電子器件和可穿戴生物電子器件中的研究進(jìn)展與發(fā)展方向。
研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介
生物電在細(xì)胞行為調(diào)節(jié)中起到重要作用，被認(rèn)為是人類生命活動(dòng)的重要指導(dǎo)因素。通過(guò)基于導(dǎo)電生物材料的生物電子器件對(duì)細(xì)胞和組織間接進(jìn)行電刺激，可以觸發(fā)一系列細(xì)胞活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)心臟、神經(jīng)、骨和皮膚等電活性組織的修復(fù)。此外，基于導(dǎo)電生物材料的導(dǎo)電移植物或生物電子器件可以傳遞電信號(hào)，以激活涉及傷口愈合、受損組織中生化信號(hào)改變，以及個(gè)人健康狀況相關(guān)的電響應(yīng)活動(dòng)。然而，目前常見(jiàn)的導(dǎo)電生物材料大多面臨與可變形的人體組織的機(jī)械行為不匹配的問(wèn)題，這可能導(dǎo)致植入后引起嚴(yán)重炎癥或使用過(guò)程中發(fā)生器件故障。纖維和纖維集合體作為一種特殊形式的軟材料，具有輕質(zhì)、柔性、可調(diào)整的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)多樣性等優(yōu)點(diǎn)。因此，通過(guò)對(duì)導(dǎo)電纖維的合理組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及成熟的紡織工藝，可以最大限度地發(fā)揮導(dǎo)電生物材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，并滿足對(duì)生物材料在復(fù)雜作用力下的多維變形能力和多尺度仿生結(jié)構(gòu)的要求。這篇綜述主要關(guān)注柔性復(fù)合導(dǎo)電纖維的制備和生物醫(yī)用，討論導(dǎo)電纖維在電活性組織的修復(fù)和再生、用于個(gè)人健康監(jiān)測(cè)的可植入生物電子器件和可穿戴生物電子器件方面的應(yīng)用進(jìn)展（圖1）。
圖1：示意圖
一、導(dǎo)電纖維成型方法
由于大多數(shù)導(dǎo)電生物材料具有固有的剛性和不溶不熔性，導(dǎo)電纖維往往只能通過(guò)復(fù)合材料的形式制備。通過(guò)適當(dāng)?shù)睦w維組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以對(duì)其機(jī)械、電氣和生物特性進(jìn)行微調(diào)，以滿足組織修復(fù)材料或生物電子產(chǎn)品的要求。因此，通過(guò)濕法紡絲、微流體紡絲、靜電紡絲和3D打印，以及在非導(dǎo)電纖維上進(jìn)行表面改性，將成纖聚合物和導(dǎo)電生物材料結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出各種類型的導(dǎo)電纖維，還可以進(jìn)一步采用紡織加工技術(shù)來(lái)豐富導(dǎo)電纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以獲得仿生結(jié)構(gòu)（圖2）。
圖 2: 導(dǎo)電纖維材料的成型方法。（A）濕法紡絲（B）微流體紡絲（C）靜電紡絲（D）3D打?。‥）可用于復(fù)合導(dǎo)電纖維材料制備的不同形式的纖維和纖維集合體。
二、導(dǎo)電纖維用于組織修復(fù)的電信號(hào)傳輸
生物材料的幾何結(jié)構(gòu)和作為載體傳遞的機(jī)械、電、熱和磁刺激對(duì)細(xì)胞行為具有可控的引導(dǎo)作用。纖維制造技術(shù)為構(gòu)建仿生結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而纖維中導(dǎo)電性的引入可以促進(jìn)內(nèi)源/外源電信號(hào)的傳遞，從而改善細(xì)胞的粘附、增殖和分化，促進(jìn)組織再生。導(dǎo)電纖維可以模擬細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)并恢復(fù)細(xì)胞間電通訊，為受損組織提供機(jī)械支撐，因此可用于梗死心肌泵血功能的修復(fù)。導(dǎo)電纖維支架將導(dǎo)電性和纖維結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，可以促進(jìn)細(xì)胞鋪展、排列和超微結(jié)構(gòu)發(fā)育，進(jìn)而為組織工程中細(xì)胞的行為調(diào)節(jié)提供有效手段。當(dāng)引入外部電刺激后，電刺激和支架導(dǎo)電性協(xié)同改善了細(xì)胞排列，激活與分化相關(guān)的細(xì)胞通路，進(jìn)而為心肌向分化、神經(jīng)再生、骨再生以及傷口愈合做出重大貢獻(xiàn)。
三、導(dǎo)電纖維用于可植入生物電子器件
下一代用于單點(diǎn)健康監(jiān)測(cè)的可植入或可穿戴式生物電子器件需要引入新的功能，包括柔性、大面積和易于加工的一維或二維材料、可控的生物特性以及電子/離子導(dǎo)電性，這恰好是紡織技術(shù)和纖維材料的優(yōu)勢(shì)。
導(dǎo)電纖維作為柔性電極材料可用作神經(jīng)探針，容易達(dá)到優(yōu)化的電極-神經(jīng)組織界面對(duì)信噪比、阻抗、剛度以及長(zhǎng)期生物相容性的要求，以準(zhǔn)確探測(cè)和操縱特定神經(jīng)元的電生理活動(dòng)。濕法紡絲可以制備模量與神經(jīng)組織匹配的柔性電極，用于對(duì)受損神經(jīng)進(jìn)行急性刺激，并評(píng)估刺激后的誘發(fā)力和CMAP。為纖維電極設(shè)計(jì)刺激響應(yīng)性的機(jī)械性能和與細(xì)胞同尺度的結(jié)構(gòu)，可以避免輔助植入裝置的參與，降低操作難度，最大程度減少植入損傷，并實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元信號(hào)的實(shí)時(shí)記錄和單細(xì)胞記錄。導(dǎo)電纖維還可與光電探針結(jié)合，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)脊髓的電生理記錄和光學(xué)神經(jīng)調(diào)控。
纖維基超級(jí)電容器具有輕質(zhì)、可彎曲、可編織和可擴(kuò)展等特點(diǎn)，是植入式電子器件的理想電源。現(xiàn)有研究中為避免超級(jí)電容器復(fù)雜組裝過(guò)程和電解質(zhì)泄露問(wèn)題，采用了在導(dǎo)電纖維上進(jìn)行部分改性，向管狀結(jié)構(gòu)彈性紗線中注入固體電解質(zhì)，以及直接利用體液作為電解質(zhì)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在紗線電極上進(jìn)行生物修飾可以避免影響細(xì)胞活性，同時(shí)提高導(dǎo)電材料的負(fù)載量和纖維的電容，提高其能量密度/功率密度。
疾病標(biāo)志物的早期檢測(cè)和連續(xù)監(jiān)測(cè)在疾病診斷和治療中起著關(guān)鍵作用。使用導(dǎo)電納米材料作為電活性介質(zhì)，可以提高生物傳感器的電化學(xué)性能、生物相容性、酶固定效率以及在復(fù)雜變形下的電流穩(wěn)定性等性能。纖維電極構(gòu)建的生物傳感器，可以用于監(jiān)測(cè)靜脈血中的Ca2+和葡萄糖濃度，檢測(cè)與精神分裂癥和帕金森病等各種疾病相關(guān)的神經(jīng)遞質(zhì)或基因水平。這種特定的生物傳感器有助于開(kāi)發(fā)快速、準(zhǔn)確的"液體活檢"，用于早期疾病檢測(cè)，同時(shí)避免組織活檢。
四、導(dǎo)電纖維用于可穿戴生物電子器件
纖維基導(dǎo)電材料作為可穿戴生物電子器件的突出特點(diǎn)表現(xiàn)為其耐久性和穿著舒適性，前者源于機(jī)械順應(yīng)性和對(duì)摩擦和洗滌的抵抗力，而后者則基于可恢復(fù)的折疊、彎曲、拉伸和壓縮變形以及適宜的熱濕舒適性。
可穿戴生物電子器件不可避免地會(huì)在人體活動(dòng)時(shí)經(jīng)受反復(fù)變形，因此可拉伸導(dǎo)體是維持元件穩(wěn)定連接的必要組件（表1）。導(dǎo)電纖維的可拉伸性主要通過(guò)基材彈性和纖維結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)。將導(dǎo)電材料以涂層形式與彈性體纖維復(fù)合是最常見(jiàn)的手段，然而，彈性體和導(dǎo)電涂層之間巨大的機(jī)械性能差異會(huì)導(dǎo)致界面不穩(wěn)定，往往需要引入柔性的粘合劑以固定導(dǎo)電組分避免瞬間的機(jī)械故障。在沉積導(dǎo)電材料前對(duì)彈性基材施加預(yù)拉伸應(yīng)變以獲得褶皺結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電涂層是另一種構(gòu)建柔性導(dǎo)電纖維的有效手段，除了可以提高導(dǎo)電纖維的伸長(zhǎng)率外，還可以提高其應(yīng)變不敏感性能，但大幅高頻變形仍會(huì)導(dǎo)致纖維導(dǎo)電性的損失，這對(duì)可拉伸導(dǎo)體的耐疲勞性能提出了較高要求。
表 1 總結(jié)了用作可拉伸導(dǎo)體的各種導(dǎo)電纖維
電熱療法在個(gè)人熱管理和緩解病理疼痛中有重要作用，可用于風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的康復(fù)、肌肉痙攣和炎癥緩解，緩解關(guān)節(jié)僵硬，改善血液循環(huán)和筋膜柔韌性。導(dǎo)電纖維的柔性和可織造性使其能以更方便和無(wú)約束的方式在體表將電能轉(zhuǎn)換為熱能。纖維電導(dǎo)率的提高、導(dǎo)電紗線織造密度和織物組織結(jié)構(gòu)的調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)焦耳加熱器的低驅(qū)動(dòng)電壓、高熱轉(zhuǎn)換效率和耐用性，使得大面積加熱元件和高分辨率局域加熱元件的構(gòu)建都能按需實(shí)現(xiàn)。
導(dǎo)電纖維的順應(yīng)性和電響應(yīng)可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可變形人體的精確機(jī)械感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲帶振動(dòng)、關(guān)節(jié)彎曲、肌肉收縮、骨旋轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（表2）。導(dǎo)電彈性復(fù)絲拉伸性能優(yōu)異，但循環(huán)性能較差；具有卷繞結(jié)構(gòu)的包芯紗、加捻紗和螺旋纖維疲勞性能較好，可以識(shí)別高頻小幅應(yīng)變，滿足檢測(cè)輕微肌肉運(yùn)動(dòng)的要求；導(dǎo)電纖維的屈曲結(jié)構(gòu)可以拓寬應(yīng)變傳感器的工作范圍，兼顧對(duì)不同部位形變監(jiān)測(cè)的需求。導(dǎo)電織物因其較大的自由體積和彈性具有較寬的線性范圍，但靈敏度會(huì)隨著施加壓力的增加而下降。機(jī)織、針織和編織等織造技術(shù)可以通過(guò)紗線密度、紗線配比、織物組織結(jié)構(gòu)等織造參數(shù)平衡靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、線性、耐久性和滯后等傳感性能。在此基礎(chǔ)上，導(dǎo)電纖維對(duì)溫度、濕度和溶劑等其他物理刺激的電響應(yīng)可以被綜合利用，以識(shí)別身體界面的復(fù)雜狀況。
表 2總結(jié)了用作應(yīng)變/應(yīng)力傳感器的導(dǎo)電纖維/織物
最后作者指出，由于導(dǎo)電纖維在生理環(huán)境中復(fù)雜服役場(chǎng)景下的長(zhǎng)期疲勞行為仍存在一些問(wèn)題，且目前尚不具備能夠?qū)⒓?xì)胞與導(dǎo)電纖維批量制造成工程化組織移植物的通用手段，導(dǎo)電纖維基組織修復(fù)材料的臨床轉(zhuǎn)化仍然受到阻礙。同樣，盡管可植入和可穿戴生物電子器件已經(jīng)得到廣泛關(guān)注，但由于準(zhǔn)確及時(shí)的信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)換要求器件接觸面與應(yīng)用部位緊密接觸并同步變形，這對(duì)材料在長(zhǎng)期反復(fù)變形下的機(jī)械性能穩(wěn)定性和電學(xué)性能穩(wěn)定性提出了較高要求。此外，多功能化和無(wú)電池?zé)o線操作正在成為生物電子器件發(fā)展的主要趨勢(shì)，因此需要對(duì)導(dǎo)電纖維的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行全面設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)電子器件的集成化。
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