中国石油大学（北京）王春雅：面向柔性生物电子应用的生物凝胶的功能化设计

近日，中国石油大学（北京）王春雅课题组的AMR Viewpoint文章“Functionalization of Natural-Derived Biogels for Soft Bioelectronics”在线发表，简要概述了天然生物基功能凝胶在柔性生物电子领域的应用优势和潜力，重点介绍了天然生物基凝胶柔性生物电子应用所需的功能化设计，包括机械性能、导电性、粘附性、环境适应性，并展望了生物基功能凝胶在柔性生物电子方面的应用前景、面临的挑战和可能的研究方向。

关键词：生物基凝胶、功能化设计、柔性生物电子

Hydrogels (biogels) derived from natural biopolymers are attracting great research interest toward their structural and functional design as building blocks for soft bioelectronics for wearable and implantable healthcare devices, because of their unique features including mechanical and electrical compatibility, biofunctional versatility, biocompatibility, biodegradability, and sustainability. Natural biopolymers generally contain abundant functional groups such as hydroxyl, carboxyl, and amino groups, which provides molecular modification possibility to design and construct cross-linking networks, endowing the resulting biogels with customized mechanical properties and functionality that adapts to diverse human tissues. Besides, biodegradable and sustainable natural biopolymers make it feasible for the resulting biogels to be degraded in the eco-environment, which may contribute to mitigating the future electronic waste issues.

01 文章内容简介

柔性生物电子在智慧医疗方面表现出巨大潜力而成为研究热点。天然生物基凝胶由于其独特的特性，包括与人体组织的机械和电气兼容性、生物功能化特性、生物相容性、生物可降解性和可持续性，成为构筑柔性生物电子的很有前景的功能软材料。虽然天然生物凝胶在生物医学领域已得到广泛发展，但其在柔性生物电子领域的应用研究处于新兴阶段，为了促进其在柔性生物电子应用发展，需要更多地关注针对柔性生物电子需求的生物基凝胶的功能化设计，主要包括力学性能、导电性、粘附性和环境适应性。本Viewpoint文章主要介绍了对生物基凝胶机械性能（强度、韧性、抗疲劳）、导电性能（优异稳定的导电性）、粘附性能（界面粘附鲁棒性）及环境适应性（抗脱水、抗冻、抗溶胀）进行优化提升的设计策略。最后，展望了生物基功能凝胶在和健康医疗相关的柔性生物电子方面的应用前景、面临的挑战和机遇。

02 AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

随着国家“双碳”目标提出，对生物基功能新材料的设计开发符合国家重大需求。这是因为，相较于传统的石油基合成聚合物凝胶材料，生物基凝胶材料具有更好的生物相容性、生物可降解性、环保性能和可持续性。在应用研究方面，柔性生物电子，由于在智慧健康医疗领域巨大的应用前景而成为全球研究热点，其发展离不开对新型功能材料的开发。因此，我们将目光聚焦于面向柔性生物电子应用需求的生物基功能凝胶材料的设计开发。

03 AMR：请分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

目前生物基凝胶的设计主要集中于功能化设计，应用于构筑柔性生物电子时，生物基功能凝胶主要为块状形貌。但对于一些生物电子应用，例如，实现一些生物信号的高空间精度记录/刺激，需要生物电子的小型化，因此，需要开发高分辨率生物基凝胶的制造策略，以实现柔性生物电子微型化。考虑到生物软材料的可打印性，作为先进的制造技术，3D打印有望将生物基凝胶加工成高精度的跨尺度结构。而为了制备具有高分辨率图案和多功能性的生物基凝胶，需对天然生物聚合物墨水的流变性能及化学生物性质进行优化。

通讯作者简介

王春雅，中国石油大学（北京）特聘岗位教授。2018年于清华大学化学系获博士学位，2018-2019于美国塔釜茨大学David Kaplan课题组从事博士后研究，2019-2022于日本东京大学Takao Someya课题组以JSPS外国人特别研究员、特任研究员身份从事研究工作，2022年7月加入中国石油大学（北京）碳中和未来技术学院、重质油全国重点实验室，入选北京市科技新星、中国石油大学（北京）优秀青年学者。迄今，发表SCI论文40余篇，其中以通讯作者、第一作者或共同第一作者在Sci. Adv. (2篇), Adv. Mater. (2篇), Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Adv. Funct. Mater., Sci. Bull.等期刊发表文章18篇，5篇入选ESI高被引论文，获授权中国发明专利2项、实用新型专利1项（专利权已转移），申请中国专利1项。任Science Bulletin和《科学通报》特邀编委。课题组主要研究兴趣和方向为生物基功能新材料的设计开发及柔性电子、绿色能源应用研究。

扫码阅读王春雅教授团队的精彩Viewpoint文章：

Functionalization of Natural-Derived Biogels for Soft Bioelectronics

Chunya Wang* and Yan Liu

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00210

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