通讯作者：Yevgenia Kozorovitskiy；Igor R. Efimov；JohnA. Rogers
通讯单位：乔治华盛顿大学生物医学工程系；美国西北大学高性能电子/光电系统与软组织紧密集成有可能成为诊断和治疗疾病的革命性方法的基础。这些技术和生物组织之间的紧密接口必须由软机械耦合来实现。粘合剂不仅对生物组织，而且对具有机械、几何和化学特性的电子设备表面必须具有强大的粘合力。美国西北大学John A. Rogers课题组介绍了一种生物电子-组织界面材料（BTIM）的功能性粘合剂。BTIM结合了可光固化的共价网络聚乙二醇-丙交酯二丙烯酸酯（PEG-LA-DA）和离子网络（海藻酸钠，SA），当应用于组织电子表面时会迅速形成。相关工作以“Photocurable bioresorbable adhesives as functional interfaces between flexible bioelectronic devices and soft biological tissues”为题发表在Nature Materials上。图1. 用于连接生物电子器件与生物组织的软界面材料：传统缝合工艺（a）和基于BTIM的三种替代方案的示意图，包括封装涂层（b）、界面层（c）和支撑基质（d）；（e）将这种双组分粘合剂化学应用于猪心脏以通过封装方案锚定一对电极的程序。蓝色插图：来自双注射器输送系统混合的I（染成红色；PEG-LA-DA、Ca2+和光引发剂）和II（染蓝色；SA）的前体，当它们通过轴并在尖端出现时，以紫色突出显示。红色插图：将所得液体混合物涂在涂有底漆的组织上，然后通过暴露于紫外线（波长365nm；密度20 mW cm-2；持续时间3 min）固化以完成封装过程；（f）电子和光电系统无缝集成到活组织表面，具有强大的粘附力，可在数天到数月的皮肤、神经元和心脏应用中实现稳定的电和/或光学界面。BTIM是一种具有类似蜂蜜的初始粘度的材料，可以流动以适应复杂的表面。化学设计支持原位与界面两侧的牢固结合。复杂组织电子表面的共形覆盖使多种策略能够解决不同类别的生物组织和电子系统。光聚合导致液固转变和粘合，无需施加力，从而促进手术过程并减少脆弱组织或精密电子设备损坏或过度变形的可能性。BTIM是高度透明的，具有由网络中离子运动产生的导电性，可满足广泛类型的光电和生物电子设备的要求。乳酸单元连同海藻酸盐和壳聚糖成分，可通过自然过程以明确的速率完全受控地在体内吸收，从而解决临时植入物的机会，旨在消除手术切除程序的成本和风险。
图2. BTIM的主要特征：（a）与生物组织（顶部）和生物电子器件（底部）表面的界面结合机制；（b）BTIM与各种组织和设备表面之间的粘附能。PCL，聚己内酯；聚氨酯，聚氨酯；（c）来自BTIM样品的应力-应变曲线。插图：BTIM试样（蓝色）在伸长前和伸长后无断裂的图像。λ定义为变形过程中的长度与初始长度之间的比值；（d）在代表性生物电子装置（模量2 GPa）和与侧弯（45°）相关的下层组织（模量50 kPa）之间的界面处的剪切应力和法向应力分布，通过有限元分析确定。BTIM层（厚度 500 μm）使应力的zz、xz和yz分量的最大应力分别降低了3.5、3.3和 3.3倍；（e）在紫外线照射180秒后，粘性液体前体光引发转化为弹性交联固体粘合剂；（f）由于这种光引发的液体到固体的转变，BTIM在一块猪皮上的保形涂层。猪皮和BTIM的表面高度分布在插图中每个相应的3D共聚焦光学显微镜图像中沿着白线；（g）生物再吸收性。BTIM与PEG-2LA-DA/SA、PEG-4LA-DA/SA和PEG-10LA-DA/SA浸入PBS（pH 7.4，37 °C）的剩余重量作为时间的函数；（h）BTIM辅助电刺激的工作条件示意图；（i）作为界面材料电导率的函数计算的心肌层顶面上的归一化电流和功率利用率。这些值由没有界面材料时的值归一化。a.u.，任意单位；（j）BTIM辅助生物电位测绘的工作条件示意图；（k）在存在具有各种电导率的界面材料（蓝色）和不存在这些材料（红色）的情况下，左侧电极的计算电位；（l）测量两个相邻MEA电极之间阻抗的实验装置示意图；（m）室温下在0.1 M PBS中使用BTIM之前（红色）和之后（蓝色）的两个相邻MEA电极的代表性阻抗谱。
活体动物实验演示包括了各种设备的应用，从用于脑深部光遗传学和皮下光疗的无电池光电系统，到无线毫米级起搏器和灵活的多电极心外膜阵列。BTIM植入大脑深部或皮下组织区域稳定且不会引发炎症这些进展适用于目前在动物模型研究中使用的几乎所有类型的生物电子/光电系统，它们也有可能在未来治疗人类相关疾病时提供支持。
Quansan Yang, Tong Wei, Rose T. Yin, Mingzheng Wu, Yameng Xu, Jahyun Koo, Yeon Sik Choi, Zhaoqian Xie, Sheena W. Chen, Irawati Kandela, Shenglian Yao, Yujun Deng, Raudel Avila, Tzu-Li Liu, Wubin Bai, Yiyuan Yang, Mengdi Han, Qihui Zhang, Chad R. Haney, K. Benjamin Lee, Kedar Aras, Tong Wang, Min-Ho Seo, Haiwen Luan, Seung Min Lee, Anlil Brikha, Nayereh Ghoreishi-Haack, Lori Tran, Iwona Stepien, Fraser Aird, Emily A. Waters, Xinge Yu, Anthony Banks, Gregory D. Trachiotis, John M. Torkelson, Yonggang Huang, Yevgenia Kozorovitskiy, Igor R. Efimov, John A. Rogers, Photocurable bioresorbable adhesives as functional interfaces between flexible bioelectronic devices and soft biological tissues, Nat. Mater. 2021, https://www.nature.com/articles/s41563-021-01051-x.
