近期，东华大学毛吉富研究员在科爱出版社创办的期刊 Bioactive Materials 上发表综述文章：生物医用导电纤维。从生物电对细胞活动和组织功能的调节作用和导电纤维的突出优势出发，综述了近年来生物医用导电纤维的成型方法，讨论了其在组织修复与再生、可植入生物电子器件和可穿戴生物电子器件中的研究进展与发展方向。
研究内容简介
生物电在细胞行为调节中起到重要作用，被认为是人类生命活动的重要指导因素。通过基于导电生物材料的生物电子器件对细胞和组织间接进行电刺激，可以触发一系列细胞活动，以实现心脏、神经、骨和皮肤等电活性组织的修复。此外，基于导电生物材料的导电移植物或生物电子器件可以传递电信号，以激活涉及伤口愈合、受损组织中生化信号改变，以及个人健康状况相关的电响应活动。然而，目前常见的导电生物材料大多面临与可变形的人体组织的机械行为不匹配的问题，这可能导致植入后引起严重炎症或使用过程中发生器件故障。纤维和纤维集合体作为一种特殊形式的软材料，具有轻质、柔性、可调整的机械性能和结构多样性等优点。因此，通过对导电纤维的合理组成和结构设计以及成熟的纺织工艺，可以最大限度地发挥导电生物材料在生物医学应用中的优势，并满足对生物材料在复杂作用力下的多维变形能力和多尺度仿生结构的要求。这篇综述主要关注柔性复合导电纤维的制备和生物医用，讨论导电纤维在电活性组织的修复和再生、用于个人健康监测的可植入生物电子器件和可穿戴生物电子器件方面的应用进展（图1）。
图1：示意图
一、导电纤维成型方法
由于大多数导电生物材料具有固有的刚性和不溶不熔性，导电纤维往往只能通过复合材料的形式制备。通过适当的纤维组成和结构设计，可以对其机械、电气和生物特性进行微调，以满足组织修复材料或生物电子产品的要求。因此，通过湿法纺丝、微流体纺丝、静电纺丝和3D打印，以及在非导电纤维上进行表面改性，将成纤聚合物和导电生物材料结合起来，开发出各种类型的导电纤维，还可以进一步采用纺织加工技术来丰富导电纤维的结构设计，以获得仿生结构（图2）。
图 2: 导电纤维材料的成型方法。（A）湿法纺丝（B）微流体纺丝（C）静电纺丝（D）3D打印（E）可用于复合导电纤维材料制备的不同形式的纤维和纤维集合体。
二、导电纤维用于组织修复的电信号传输
生物材料的几何结构和作为载体传递的机械、电、热和磁刺激对细胞行为具有可控的引导作用。纤维制造技术为构建仿生结构提供了独特的优势，而纤维中导电性的引入可以促进内源/外源电信号的传递，从而改善细胞的粘附、增殖和分化，促进组织再生。导电纤维可以模拟细胞外基质的结构并恢复细胞间电通讯，为受损组织提供机械支撑，因此可用于梗死心肌泵血功能的修复。导电纤维支架将导电性和纤维结构结合起来，可以促进细胞铺展、排列和超微结构发育，进而为组织工程中细胞的行为调节提供有效手段。当引入外部电刺激后，电刺激和支架导电性协同改善了细胞排列，激活与分化相关的细胞通路，进而为心肌向分化、神经再生、骨再生以及伤口愈合做出重大贡献。
三、导电纤维用于可植入生物电子器件
下一代用于单点健康监测的可植入或可穿戴式生物电子器件需要引入新的功能，包括柔性、大面积和易于加工的一维或二维材料、可控的生物特性以及电子/离子导电性，这恰好是纺织技术和纤维材料的优势。
导电纤维作为柔性电极材料可用作神经探针，容易达到优化的电极-神经组织界面对信噪比、阻抗、刚度以及长期生物相容性的要求，以准确探测和操纵特定神经元的电生理活动。湿法纺丝可以制备模量与神经组织匹配的柔性电极，用于对受损神经进行急性刺激，并评估刺激后的诱发力和CMAP。为纤维电极设计刺激响应性的机械性能和与细胞同尺度的结构，可以避免辅助植入装置的参与，降低操作难度，最大程度减少植入损伤，并实现神经元信号的实时记录和单细胞记录。导电纤维还可与光电探针结合，以同时实现脊髓的电生理记录和光学神经调控。
纤维基超级电容器具有轻质、可弯曲、可编织和可扩展等特点，是植入式电子器件的理想电源。现有研究中为避免超级电容器复杂组装过程和电解质泄露问题，采用了在导电纤维上进行部分改性，向管状结构弹性纱线中注入固体电解质，以及直接利用体液作为电解质等结构设计。在纱线电极上进行生物修饰可以避免影响细胞活性，同时提高导电材料的负载量和纤维的电容，提高其能量密度/功率密度。
疾病标志物的早期检测和连续监测在疾病诊断和治疗中起着关键作用。使用导电纳米材料作为电活性介质，可以提高生物传感器的电化学性能、生物相容性、酶固定效率以及在复杂变形下的电流稳定性等性能。纤维电极构建的生物传感器，可以用于监测静脉血中的Ca2+和葡萄糖浓度，检测与精神分裂症和帕金森病等各种疾病相关的神经递质或基因水平。这种特定的生物传感器有助于开发快速、准确的"液体活检"，用于早期疾病检测，同时避免组织活检。
四、导电纤维用于可穿戴生物电子器件
纤维基导电材料作为可穿戴生物电子器件的突出特点表现为其耐久性和穿着舒适性，前者源于机械顺应性和对摩擦和洗涤的抵抗力，而后者则基于可恢复的折叠、弯曲、拉伸和压缩变形以及适宜的热湿舒适性。
可穿戴生物电子器件不可避免地会在人体活动时经受反复变形，因此可拉伸导体是维持元件稳定连接的必要组件（表1）。导电纤维的可拉伸性主要通过基材弹性和纤维结构两个角度实现。将导电材料以涂层形式与弹性体纤维复合是最常见的手段，然而，弹性体和导电涂层之间巨大的机械性能差异会导致界面不稳定，往往需要引入柔性的粘合剂以固定导电组分避免瞬间的机械故障。在沉积导电材料前对弹性基材施加预拉伸应变以获得褶皱结构的导电涂层是另一种构建柔性导电纤维的有效手段，除了可以提高导电纤维的伸长率外，还可以提高其应变不敏感性能，但大幅高频变形仍会导致纤维导电性的损失，这对可拉伸导体的耐疲劳性能提出了较高要求。
电热疗法在个人热管理和缓解病理疼痛中有重要作用，可用于风湿性关节炎的康复、肌肉痉挛和炎症缓解，缓解关节僵硬，改善血液循环和筋膜柔韧性。导电纤维的柔性和可织造性使其能以更方便和无约束的方式在体表将电能转换为热能。纤维电导率的提高、导电纱线织造密度和织物组织结构的调整可以实现焦耳加热器的低驱动电压、高热转换效率和耐用性，使得大面积加热元件和高分辨率局域加热元件的构建都能按需实现。
导电纤维的顺应性和电响应可以被用来实现对可变形人体的精确机械感应，实现对声带振动、关节弯曲、肌肉收缩、骨旋转等多种运动的实时监测（表2）。导电弹性复丝拉伸性能优异，但循环性能较差；具有卷绕结构的包芯纱、加捻纱和螺旋纤维疲劳性能较好，可以识别高频小幅应变，满足检测轻微肌肉运动的要求；导电纤维的屈曲结构可以拓宽应变传感器的工作范围，兼顾对不同部位形变监测的需求。导电织物因其较大的自由体积和弹性具有较宽的线性范围，但灵敏度会随着施加压力的增加而下降。机织、针织和编织等织造技术可以通过纱线密度、纱线配比、织物组织结构等织造参数平衡灵敏度、响应时间、线性、耐久性和滞后等传感性能。在此基础上，导电纤维对温度、湿度和溶剂等其他物理刺激的电响应可以被综合利用，以识别身体界面的复杂状况。
表 2总结了用作应变/应力传感器的导电纤维/织物
最后作者指出，由于导电纤维在生理环境中复杂服役场景下的长期疲劳行为仍存在一些问题，且目前尚不具备能够将细胞与导电纤维批量制造成工程化组织移植物的通用手段，导电纤维基组织修复材料的临床转化仍然受到阻碍。同样，尽管可植入和可穿戴生物电子器件已经得到广泛关注，但由于准确及时的信号传导和转换要求器件接触面与应用部位紧密接触并同步变形，这对材料在长期反复变形下的机械性能稳定性和电学性能稳定性提出了较高要求。此外，多功能化和无电池无线操作正在成为生物电子器件发展的主要趋势，因此需要对导电纤维的结构和性能进行全面设计以实现电子器件的集成化。
