可生物降解的电子产品被认为是电子废物管理、可持续发展和新兴可植入设备的重要生物友好解决方案。运用弹性电子学可以更好地模拟人体组织的机械力学，使其已成为人体相关应用的关键。生物降解性和弹性的融合为下一代电子产品，尤其是可穿戴和植入式电子产品，提供了新的范例。相应的可生物降解弹性材料被认为是推动该领域走向实际应用的关键。

图1：基于弹性体和凝胶的最常用的可生物降解弹性电子器件的示意图

 

近日，东华大学游正伟教授课题组在《Advanced Science》杂志上以题为“Biodegradable Elastomers and Gels for Elastic Electronics”发表了综述文章。该综述首先阐明了包括可生物降解和弹性电子产品及其一般设计原则的相关概念；随后深入讨论了聚合物材料降解的关键机制。然后总结了用于电子产品的各种类型的可生物降解弹性体和凝胶，并详细回顾了它们的分子设计、修饰、加工和器件制造，尤其是结构-性能关系以及最近的进展。最后，作者提出了当前的挑战和未来的方向。对弹性体和凝胶中的生物降解性和弹性特性的关键见解，使其能够更有效地针对电子应用进行定制和设计。

 

 

【生物降解概述】

 

聚合物的降解可分为化学降解、机械降解、热降解和生物降解。与其他降解方式不同，生物降解具有对环境和人类友好的降解聚合物的策略，已在绿色和可持续电子设备方面显示出巨大潜力。生物降解的主要方式包括水解降解和氧化降解。美国试验与材料学会对“生物降解性”的定义是，在含有真菌或微生物的复合条件下，至少90%的塑料可以在180天内完全矿化为水、二氧化碳和生物质。这种严格的特性确保了此类塑料对环境的不利影响最小。理想的可生物降解弹性电子设备将能够在设计的时间范围内发挥作用，然后分解成无害的组件并消失。

图2：可生物降解电子产品及其表征方法

 

可生物降解弹性电子学是可穿戴和植入电子产品的新兴概念，它具有可生物降解的行为和仿生机械性能，可以准确定义下一代可穿戴和植入电子产品的发展方向。建立可生物降解的弹性电子器件的首要任务是实现弹性和可生物降解性的结合。对于机械性能，电子材料的杨氏模量与可拉伸性是关键性能，从而有效提高佩戴舒适度、电气性能，并适应自然身体运动过程中的应变以及诱导的复杂形貌。

图3：弹性电子器件的示意图

 

【可生物降解的绝缘弹性体】

 

普通电子原型的基本组件可以简化为基板、电介质、半导体、电极和密封剂。由于大多数可生物降解的弹性体是天然绝缘的，因此已开发出大量可生物降解和可拉伸的材料用作基材、电介质和密封剂。最近，一些弹性体包括聚癸二酸甘油酯(PGS)、PGS衍生物、聚(1,8-辛二醇-柠檬酸)(POC)、聚氨酯基弹性体和动态共价交联弹性体已被开发用于电子应用。这些材料的化学结构对其特性和功能起着至关重要的作用，该小节中作者回顾了最新成果，并将结果总结在表1中。

 

 

表1：电子应用弹性体开发的最新进展总结

 

【可生物降解弹性体导体和半导体】

 

有机导电和半导体弹性体将是下一代全有机弹性电子产品的理想选择。共轭聚合物，如聚吡咯、聚苯胺和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT），不仅广泛用作连接各种组件的电子电路，而且还收集体内的电信号，如神经元和心脏组织。考虑到共轭聚合物的不可生物降解性和刚性，导电和半导体弹性体的整体性能在实际应用中仍有改进的空间，但这些工作为构建完全可生物降解的电活性弹性体开辟了新的视角。

 

图4：可生物降解的弹性导体和半导体

 

【可生物降解凝胶】

 

水凝胶的综合特性使其成为弹性电子应用的理想材料，例如可穿戴电子设备和可植入人机界面。在已报道的水凝胶中，天然水凝胶被认为是弹性电子学的可生物降解和生物相容的候选者。有两种广泛使用的天然水凝胶：多糖（例如，纤维素、壳聚糖、藻酸盐）和基于蛋白质的聚合物（例如，丝、明胶）。在这一小节，作者详细讨论了海藻酸盐和明胶基水凝胶及其相应的有机水凝胶的化学结构、性质和在弹性电子学中的相应应用。

 

表2：用于电子应用的藻酸盐和明胶水凝胶进展

 

【结论与展望】

 

可生物降解的弹性电子产品引起了极大的关注，因为它们不仅被证明是电子废物管理和可持续发展的生物解决方案，而且为可植入瞬态电子设备的生物医学应用铺平了道路。虽然开发新的聚合物化学和扩大电子弹性材料的用量是当前亟待解决的问题，但也应进一步考虑电子产品的制备、使用和降解所产生的新问题；例如，大量使用有毒溶剂来合成弹性材料和制备电子产品。开发无溶剂或绿色生物合成可再生弹性材料将是下一代电子产品的发展方向。