隨著生物集成電子技術在可穿戴電子、機器人、電子皮膚、人機接口和植入式電子領域的日益普及，電子學正迅速與生物學結合。儘管集成電路技術的能力和小型化的發展迅速，但生物集成電子學中關於力學和生物學特性的設計仍然十分有限。因此，開發一種新型電子彈性體來同時模擬皮膚的力學性能（非線性粘彈性、韌性、柔軟性和可拉伸性）和生物學性能（細胞相容性、生物降解性）仍然是一個挑戰。
近期，東華大學遊正偉教授設計併合成了脲基嘧啶酮（UPy）修飾的聚癸二酰甘油二酯，製備了具有物理氫鍵和共價交聯雜化交聯網絡的彈性體。通過最佳氫鍵數量的調控，該材料的韌性可以達到共價交聯PSeD彈性體的11倍，強度是其3倍。此外，該彈性體除了表現出與人體皮膚類似的力學性能（楊氏模量：0.64±0.10 MPa；抗撕裂能：3670±86.6 J/m2），還具有優異的細胞相容性、生物降解性。最後，作者設計並製造了基於微結構PSeD-U介電元件的高靈敏度壓電傳感器，展示了其在生物集成電子領域的潛力。
圖1、類皮膚PSeD-U彈性體的示意圖及性能。a 具有物理和共價複合交聯結構的PSeD-U彈性體示意圖。b 將旋塗得到超薄PSeD-U20膜（70 μm厚）附著在人體皮膚上，通過拉伸、壓縮等過程表明該材料具有很好的順應性，標尺=10 mm。c 以彈性體樣品PSeD-U20-12h為代表的PSeD-U彈性體具有優異的可拉伸性能，可以被拉伸至原始長度的5倍，標尺=10 mm。d 由於高強、高韌的特性，PSeD-U20-12h彈性體（40 mg）能掛住100 g的重物。
為了證實該類材料具有類皮膚的特性，作者首先通過化學交聯密度的調控選定與皮膚具有近似模量（0.42-0.75 MPa）的樣品PSeD-U20-12h為研究基礎。進一步，通過調控氫鍵的密度（UPy基團含量），研究發現：可以在保持楊氏模量恆定的情況下，得到拉伸強度（0.73±0.10 MPa）、最大形變（509±24%）的樣品PSeD-U20-12h。作者根據不同的變形範圍將應力-應變曲線分為三個區域：在低應變(區域i)，PSeD-U20-12h彈性體表現出與無氫鍵的PSeD-12h彈性體相似的模量；隨著應變的增大，氫鍵解離以耗散機械能，區域ii的應變-應力曲線對應的斜率小於區域i；而在大應變(區域iii)下，氫鍵解離可能達到飽和，主要貢獻的是共價交聯網絡，與區域ii相比，區域iii的模量迅速增加。實驗證明這種具有自硬特性的非線性應力-應變行為與人類皮膚極其相似（如圖2）。此外，彈性體PSeD-U20-12h的抗撕裂能（3670±86.6 J/m2 ）與皮膚（3600 J/m2）相當。
圖2、類皮膚PSeD-U彈性體的機械性能。a 共價交聯密度相同的情況下，改變氫鍵密度測得的PSeD-U-12h彈性體應力-應變曲線。b 樣品拉伸至5%形變後900 s內的應力鬆弛曲線。C 應力隨應變的關係圖，根據應變區域的不同可將應力-應變曲線分為三部分。d 形變30%的循環拉伸測試。e 不同間隔時間下，300%應變加載-卸載的應力-應變曲線。f 樣品PSeD-12h與PSeD-U20-12h撕裂能的比較。
包括生物降解性和生物相容性等的生物特性是人類皮膚的重要特徵，也是對類皮膚彈性體和可穿戴電子產品的高度要求。作者進行了體外酶解實驗和NIH3T3成纖細胞的活/死檢測，如圖3所示，結果顯示該材料具有優異的生物降解性和生物相容性。
圖3、PSeD-U彈性體的降解行為及細胞相容性。a 37 oC下，PSeD和PSeD-U彈性體在脂肪酶DPBS（0.1 M）中的體外酶解。b 不同降解時間後（0,2,4,6,8 h），應變200%時，PSeD-U20-12h的拉伸強度，表明力學強度的逐步降低。c NIH3T3成纖維細胞在TCPS、PLGA、PSeD和PSeD-U20活/死檢測中的圖像。表面活細胞數量多(綠色)，死細胞少(紅色)，說明PSeD-U具有良好的生物相容性(放大倍數=×100;比例尺= 100μm)。d NIH3T3成纖維細胞培養在TCPS、PLGA、PSeD和PSeD-U20彈性體上的MTT分析。同一時間點不同材料間無顯著性差異。與前一時間段比較，差異有統計學意義標註為*p < 0.05或**p < 0.01。
為了演示PSeD-U彈性體在生物集成電子領域的應用，作者製備了一種基於微結構PSeD-U20-12h彈性體介電膜的壓電傳感器（如圖4）。該傳感器在低壓時(p <2 kPa)的靈敏度為0.16 k Pa
−1，高壓時(2 < p < 10 kPa)的靈敏度為0.03 kPa−1。此外，在循環壓縮試驗中，它表現出良好的穩定性和較小的遲滯性。
圖4、基於PSeD-U彈性體的壓電式傳感器的示意圖及表徵。a 壓電式傳感器的結構示意圖。b PSeD-U20-12h彈性體介電層的微結構SEM圖。c 壓電式傳感器的壓力-響應圖。d 壓力為0.84 kPa，傳感器的響應時間。插圖顯示壓力傳感器對壓力釋放的響應時間。e 壓力傳感器在不同壓力下的動態響應，頻率為0.08 Hz。f 壓力傳感器在不同頻率下的動態響應，壓力為2.86 kPa。
PSeD-U彈性體是首個從力學、生物學特性模擬皮膚非線性力學行為的例子，具有柔軟性、高強度、韌性、抗撕裂性以及良好的生物相容性和生物降解性。這項工作為以一種新型、簡單而強大的材料設計方式來模仿天然軟組織複雜的機械性能指明瞭方向。此外，文中涉及的以多功能酸引發環氧化合物開環聚合及其功能化的合成路線可用於多種分子結構和相互作用。這一策略將激發一系列仿生材料的廣泛應用，如可穿戴電子設備、仿生傳感器、醫療植入物、組織工程支架、人機接口和軟機器人。
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