川大李乙文《AFM》综述：柔性聚多巴胺生物电子器件！

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柔性生物电子器件是指一类由柔性材料制成的生物装置，它们柔软且易于变形，可用于信息的检测和处理。因此，柔性生物电子器件因其在人体运动检测、个人健康监护和医疗诊断中的广泛应用而引起了越来越多的关注。最近，受贻贝的启发，基于聚多巴胺（PDA）的设计和制造策略已展现出许多优势，可以满足高性能柔性生物电子设备的结构和功能需求。PDA中固有的多个反应位点和多级相互作用可以促进复合体系的总体电化学活性、自修复性、表面活化和生物相容性。

四川大学李乙文研究员等人对基于聚多巴胺的柔性生物电子器件这一新兴领域进行了全面概述，包括制造方法、PDA对复合材料结构和功能的贡献以及基于PDA的柔性生物电子器件的各种应用。最后，作者还广泛讨论了该领域所面临的挑战和未来前景，为具有广泛医疗保健应用的下一代多功能柔性生物电子器件提供新的灵感。该综述以题为“Flexible Polydopamine Bioelectronics”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

【PDA在构建柔性生物电子器件中的结构优势】

对生物电子复合材料中的PDA结构的全面理解可以为合理设计和改善现有生物电子技术的性能提供新的思路。作者介绍了柔性生物电子设备中的典型PDA结构及其相关制造策略。PDA链结构是指在主链或侧链位置包含多个多巴胺（DA）单元的聚合物结构。由于PDA链可以很好地分布在大分子网络中，因此可以将特定功能引入聚合物中，而不会破坏其原始特性。PDA链由于其独特的线性和聚儿茶酚胺结构，在改善整个柔性材料系统的核心特性方面起着重要作用。另外，由于PDA分子间以及PDA与PDA柔性生物电子器件中其他分子之间包含π-π、阳离子-π、氢键和金属螯合的多级相互作用，因此PDA共聚物通常表现出显着的机械增强作用。同时，作为具有多种动态化学成分的单元之一，DA和DA衍生物的引入和聚合可以促进具有自我修复功能的柔性生物电子器件的构建。

图1 具有多种功能和多种应用的基于PDA的柔性生物电子器件示意图

图2 具有PDA链结构的生物电子复合材料

【PDA在构建柔性生物电子器件中的功能优势】

作者详细阐述了PDA在柔性生物电子器件的设计和制备方面的功能贡献，主要包括在表面/界面工程中的功能优势、在生物相容性方面的功能优势、在粘合性方面的功能优势（图3）、在自我修复方面的功能优势以及在电导率方面的功能优势。考虑到PDA独特的物理和化学特性，PDA对柔性复合体系的功能贡献可大致归纳为以下几类：

I）PDA可通过非共价吸附和/或部分的共价键合，赋予最终柔性生物电子器件的表面改性、自粘性、自修复和规模化制造等功能。

II）PDA既可以作为还原剂，也可以作为稳定剂，用于无机-有机杂化材料的构建，使这些材料具有氧化还原活性，从而可以促进催化剂和杂化材料的使用。

III）PDA可以在一定条件下形成特定的大分子结构，可以提供有趣的功能，例如电导率增强的聚（醌吲哚）。

IV）PDA可以作为一种绿色碳源，提高整个系统的电导率。

图3 PDA和相关复合材料的粘合性

【PDA柔性生物电子器件的应用】

PDA的自粘性、自修复性和生物相容性等特性极大地促进了高度敏感和可拉伸柔性生物电子技术的发展。作者总结了几种代表性的柔性生物电子器件，并详细说明了它们的传感机制、可行范围、灵敏度、机械和电学性质，主要包括应变/压力传感器、电生理传感器、湿度传感器等。

（1）PDA为先进的基于压电纳米复合材料的压力传感器的发展提供了新的思路。例如，现有的压电纳米复合材料基本上由嵌入聚合物基体中的压电纳米颗粒组成，这可能面临严重的团聚和机械性能的下降。通过PDA修饰纳米粒子可实现纳米填料的良好分散，并提高了纳米复合材料的界面密度和输出电压。

（2）电生理传感器由三电极组成，保形地附着在人体皮肤上。为了用无创方法检测这种微弱的电信号，灵敏度是任何柔性电生理传感器的先决条件。由于PDA的优异粘附性，有望将PDA集成到设备中，强大的粘附力可减少设备与皮肤之间的间隙和相对滑动，从而实现精确的信号处理并提高信噪比。

（3）PDA的亲水性和导电性赋予其在湿度传感器中的独特优势。当暴露于更高的湿度下时，由于PDA吸收的水量增加而产生更多的质子载体，是的水凝胶传感器的电导率增加。PDA和水之间的质子转移过程可进一步用于湿度驱动的自供电柔性传感系统。

图4 生物启发的基于纺织品的可穿戴设备

总结与展望：

PDA在柔性生物电子系统中的重要作用包括：（1）PDA具有多级结构的相互作用和贻贝启发的化学作用，可以作为一种结构合成单元，与许多其他组件集成以构建整个柔性复合系统。（2）基于其多功能性，PDA可以提供多种方法来赋予柔性生物电子设备以出色的生物相容性、自我修复能力和导电性。然而，这一新兴领域仍面临一些挑战：（1）在实际应用过程中，PDA柔性生物电子设备需要合适的机械强度和抗疲劳性能。（2）迫切需要探索一种新的PDA粘合增强机制，以解决由于不同粘合剂不同的热膨胀系数而导致的机械失配问题。（3）由于其无序共价/非共价相互作用和结构异质性，对基于PDA的柔性生物电子设备进行进一步的结构和功能定制仍然充满挑战。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103391

来源：高分子科学前沿

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