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纤维独特的一维结构提供了有趣的属性，包括高长径比，小型化尺寸，轻质和灵活性，使其适用于各种生物医学应用，如健康监测，疾病治疗和微创手术。然而，传统的纤维器件通常由刚性、干燥和非生物材料组成，与生物组织的柔软、潮湿和生物本质本质不同，因此对与生物系统的长期、可靠和无缝接口提出了巨大挑战。鉴于水凝胶纤维在机械、化学和生物学方面与生物组织的相似性，以及独特的纤维几何形状，水凝胶纤维最近成为一种很有前途的候选材料。

近期，南方科技大学刘吉团队介绍了功能性水凝胶纤维在生物界面领域的研究进展，包括制备方法、一般设计原则以及在生物医学领域的应用前景（图1）。希望本综述为下一代生物界面技术的进一步发展和实施提供宝贵的资源。

相关研究成果以“Hydrogel Fibers-Based Biointerfacing”为题于2024年11月22日发表在《Advanced Materials》上。

图1 生物界面用水凝胶纤维

首先，本文详细讨论水凝胶纤维的制备方法，包括模板法、浸渍法、湿纺丝法、挤压印刷法、拉伸纺丝法和微流控纺丝法（图2），这些策略已被用于生产直径从纳米级到毫米级不等的水凝胶纤维。表1列出了详细信息，包括化学成分、凝固策略和样品直径，并总结了每种方法的优点和局限性。

图2 水凝胶纤维的制造策略

表1 水凝胶纤维制备方法综述

最新一代的功能性水凝胶纤维被设计为与组织的生物界面，提供机械顺应性，优越的生物相容性和对外部触发的独特反应。在水凝胶纤维中实现所需的性能需要材料结构和成分的精确设计。本文系统地介绍了用于植入式应用的水凝胶纤维的功能设计，重点介绍了它们在光传导（图3）、电导率（图4）、热响应特性（图5）、磁驱动（图6）和超声响应（图7）方面的能力。

图3 具有光传导能力的水凝胶纤维的设计原理

图4 具有定制电气性能的水凝胶纤维的设计原则

图5 具有热响应性的水凝胶纤维设计原理

图6 具有磁响应性的水凝胶纤维的设计原理

图7 具有超声响应特性的水凝胶纤维的设计原理

根据上述所介绍的广泛的准备和以设计为导向的讨论，水凝胶纤维代表了材料科学、光子学、电子学和生物医学工程的进步。除了水凝胶固有的优点，包括高含水量、生物相容性和机械顺应性，水凝胶纤维作为生物植入装置的独特优势还在于其体积小、重量轻、独特的柔韧性、定制的机械属性和结构功能多样性。水凝胶纤维已成为尖端成像模式、实时生物传感和生物基质内微创干预的多功能仪器。本文深入介绍了水凝胶光纤生物医学光子学（图8）、水凝胶纤维生物医学光学传感器（图9）、光电水凝胶纤维的光遗传调制（图10）和磁性水凝胶纤维用于微创干预（图11）等方面的细节。

图8 水凝胶光纤生物医学光子学

图9 水凝胶光纤生物医学光学传感器

图10 光电水凝胶纤维的光遗传调制

图11 磁性水凝胶纤维用于微创干预

最后，本文讨论了下一代植入式水凝胶纤维设备的未来影响和挑战，包括生物安全性，长期可靠性，制造和多模式（图12）。解决这些长期存在的限制，有可能在闭环治疗平台的背景下推动当前水凝胶纤维技术的发展。这样的进步对于彻底改变生物电子学和生物医学工程领域具有巨大的潜力，可以在生物组织和基于水凝胶纤维的设备之间实现复杂而无缝的生物界面。

图12 下一代水凝胶纤维器件的发展与未来趋势

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