三维拓扑与共价化学锚定策略打造“耐磨”生物电子
生物电子器件在监测人体健康和疾病治疗方面潜力巨大，但其长期稳定性一直面临严峻挑战。人体的动态运动，如心脏跳动、肠道蠕动和血管收缩，会持续对植入设备施加弯曲、剪切、扭转等机械应力。这往往导致设备功能层与基底之间的界面发生磨损、分层乃至解体失效，严重阻碍了其在动态生理环境下的长期应用。为解决这一难题，现有方法通常涉及复杂的材料预处理或多步高能耗工艺，且往往只适用于特定材料。
鉴于此，来自美国宾夕法尼亚大学的蒋圆闻助理教授和首都医科大学的李德岭副教授提出了一种名为“TopoLock”的新型界面工程策略。该技术基于三维（3D）拓扑互穿网络结构，并辅以共价化学锚定，旨在从多尺度增强电极与基底界面的机械稳定性。这一方法对金属、二维材料、半导体聚合物和离子导体等多种电子材料及制造技术均具有普适性。在多种临床前动物模型中，该系统成功实现了在经受持续机械应力的解剖部位进行长期电生理记录、电刺激和电化学传感。相关成果以题为“Abrasion-resistant bioelectronics based on a three-dimensional topological architecture and covalent chemical anchoring”发表在最新一期《nature electronics》上。
图 1 | TopoLock 策略用于耐磨、长期稳定的生物电子学
TopoLock基底设计
TopoLock策略的核心在于对基底材料进行分子设计，通过调节其网络渗透性和反应活性来实现界面强化。基底材料允许并促进电极材料的扩散渗透，形成一个深度可达3.16微米的互穿层（图2c, d）。在此基础上，通过紫外线照射，基底中的硫醇基团与电极材料发生化学反应，形成直接的共价键，从而在物理互锁的基础上进一步缝合了界面（图2e）。实验数据表明，与聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、SEBS等传统基底相比，应用TopoLock策略后，PEDOT:PSS电极与基底间的界面韧性显著提升（图2i）。拉曼光谱的图谱分析证实了界面处硫醇基团的消耗和碳碳双键的形成，为共价锚定提供了直接证据（图2g, h）。这种增强的界面粘附力转化为卓越的机械和电学稳定性，即使在50牛顿垂直载荷下用湿棉签擦拭，TopoLock基器件仍能保持功能，而对照器件则因导电通路破坏而失效。
图 2 | TopoLock 基材设计，具有三维拓扑和共价互锁结构
可图案化制造与自融合特性实现无缝合植入
TopoLock设计兼容光刻、3D打印和喷涂等多种常用制造技术，可用于制备高分辨率的大规模电极阵列（图3a）。在人体前臂的肌电信号采集测试中，经磨损后的TopoLock阵列仍能记录到高信噪比（SNR）的信号，而聚氨酯基底的对照阵列的信噪比则从17.54急剧下降至1.00，信号几乎被噪声淹没（图3d）。此外，TopoLock材料具有独特的自融合特性，即使在湿润环境中，两层薄膜在约1千帕的轻微压力下1分钟内即可形成牢固密封（图3e）。这种特性极大简化了植入手术，医生只需将器件包裹在目标组织周围并轻轻按压即可完成固定（图3f）。在兔模型中，该自融合界面的粘附能可媲美商用聚酰亚胺胶带，且其粘附力和电化学性能在磷酸盐缓冲盐水中浸泡4周后依然保持稳定（图3g-j）。
图 3 | 可图案化生物电子电极的制造及用于无缝缝合器械部署的自融合特性
有源器件与多模态生化传感器的牢固集成
TopoLock策略的普适性使其能够用于构建更复杂的有源器件，如晶体管。研究者分别制造了基于P3HT的固态电解质栅控晶体管用于心电图（ECG）信号放大（图4a），以及基于PEDOT:PSS的有机电化学晶体管（OECT）用于乳酸传感（图4c）。两者在TopoLock基底上均表现出比聚氨酯基底更强的抗磨损能力，磨损后性能几乎无衰减（图4b, d）。该策略同样适用于构建用于检测不同生物标志物的电化学传感器。例如，用于监测心肌梗死相关蛋白——肌红蛋白的伏安传感器实现了0-2500 ng/ml的宽线性检测范围和39.5 pg/ml的低检测限；用于监测氧化应激标志物过氧化氢的安培传感器展现出高灵敏度（0.0697 μA μM⁻¹ cm⁻² ）。此外，用于监测pH和钾、钠离子的电位型传感器均表现出接近能斯特响应的灵敏度和优异的线性度（图4f-h）。在活体大鼠模型中，植入结肠的pH传感器能够稳定监测14天，并成功检测到手术造成的肠液渗漏（图4i, j）。同样，包裹在颈动脉周围的钾、钠离子传感器也在植入14天后成功检测到由针刺引起的出血事件（图4l）。组织学分析显示，植入的TopoLock设备未引起明显的组织损伤或炎症反应（图4m-p）。
图 4 | 用于生物标志物监测的TopoLock传感器
面向动态神经界面的持久双向交互
研究团队进一步在更具挑战性的兔面神经上验证了该技术。面神经周围肌肉活动频繁，使植入设备持续承受摩擦和牵拉。他们植入了PEDOT:PSS轨道电极，同时记录神经信号和胡须运动轨迹（图5a, b）。结果显示，在植入后长达4周的时间里，TopoLock器件记录的信号信噪比（7.6 dB）和信号与胡须运动的相关性（0.93）均得到良好保持，而对照器件则在植入后不久便失效（图5c-f）。该器件同样能用于神经电刺激以诱发胡须运动。在为期28天的实验中，TopoLock器件的刺激效果稳定，能够通过调节电流幅值和脉冲宽度精确控制胡须移动幅度，而对照器件则需要越来越高的阈值电流才能触发运动（图5h-j）。植入4周后的组织学分析再次证实了TopoLock设备优异的生物相容性（图5k, l）。
图 5 | TopoLock 电极用于双向神经接口
总结与展望
总之，这项研究开发了一种结合3D拓扑互穿与共价化学锚定的界面工程策略，有效解决了动态生理环境下生物电子器件的界面失效问题。TopoLock策略具有广泛的材料普适性，可用于制造包括生化传感器、肌电电极、ECG晶体管等在内的多种器件。研究团队在结肠、动脉、心脏和面神经等多个产生剧烈运动的解剖部位，通过长期动物实验验证了其器件的功能完整性和稳定性。这项技术为开发能够长期稳定监测关键生物标志物和生理信号的生物电子系统铺平了道路，未来有望应用于生物电子医学和人机界面等领域。
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