柔性电子女神最新NatureReviewsBioengineering：未来生物电子学的科技契机与挑战！

锂电联盟会长 2024-07-15 10:30

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【研究背景】

随着生物电子技术的迅速发展和应用，可穿戴和植入式生物电子设备引起了广泛关注。这些设备在实时多模式生理监测和治疗方面展示了巨大的潜力，可以实现对生理过程的监控或刺激，并与人体集成，以提供及时的预防策略、早期诊断和医疗治疗。此外，新的生物电子设备不仅能够模拟和恢复人类能力，还可以增强人类的功能。

生物电子设备通过与生物系统接口，可以提供实时的生理监测和治疗。然而，传统的生物电子设备通常是刚性且不可伸展的，而人体的组织和器官则是柔软且动态的。这种机械性能上的不匹配会导致组织损伤、免疫反应和慢性炎症。此外，刚度的不匹配通常会导致设备与组织之间的非贴合接触、粘附性差和脱层，从而妨碍电、化学、机械和光信号在体内外的有效传输。

为了克服这些问题，科学家们致力于开发具有皮肤启发特性的软性生物电子设备。这些设备利用功能性电子聚合物及其与各种金属和无机纳米材料或微尺度材料的复合，具有低弹性模量（<1–10 MPa），能够更好地与人体组织匹配。此外，通过几何图案化薄层无机设备层为蛇形结构，即使是本质上不可伸展的材料，也能实现低弯曲刚度和可伸展性。使用这些策略，科学家们设计了具有柔软性、可拉伸性、自愈能力、可降解性和透气性的功能性有机和混合材料。

有鉴于此，斯坦福大学鲍哲南教授等在“Nature Reviews Bioengineering”期刊上发表了题为“Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems”的最新论文。本研究针对传统生物电子设备的机械不匹配问题，通过开发和应用新型软性和可伸展的有机和混合电子材料，解决了这些设备在实际应用中的一系列问题。研究首先讨论了实现皮肤启发特性的材料和设备的策略，重点关注基于有机聚合物的材料。基于这些材料和设备工程方法，研究还讨论了传感器和执行器在可穿戴和植入应用中的应用。

研究的关键在于如何将这些材料和设备集成到独立的生物电子系统中，从而实现多功能性和广泛的应用。为了实现这一目标，研究探讨了从有线笨重仪器到定制印刷电路板（PCB）基混合系统、应变工程软集成电路和本质软系统的软性生物电子设备集成策略。最后，研究还讨论了系统集成方面的内容，包括无线通信策略、电源、显示器、互连和封装层，从而确保设备在实际应用中的稳定性和可靠性。

通过这些努力，本研究不仅解决了生物电子设备与人体组织之间的机械不匹配问题，还推动了下一代数字医疗的发展，为实时健康监测和治疗提供了新的可能性。

【科学亮点】

1.实验提出和验证了基于软性有机和混合电子材料的生物电子设备的设计策略，这些设备具有与皮肤相似的柔软性、可拉伸性、自愈能力、可降解性和透气性。这些特性使得设备能够与人体组织无缝接口，从而减小机械不匹配带来的组织损伤、免疫反应和慢性炎症问题。

2.通过分子设计和材料工程方法，实现了介电、导电和半导电聚合物的柔软性和可拉伸性。实验结果表明，低弹性模量（<1–10 MPa）的功能性电子聚合物以及几何图案化的薄层无机设备层可以实现低弯曲刚度和可伸展性。这些材料设计策略使得生物电子设备能够更好地适应人体动态环境。

3.在可穿戴和植入应用中，这些软性生物电子设备表现出卓越的性能。例如，皮肤启发的可拉伸电极、晶体管和传感器可以实现高保真度、可靠性和用户舒适度的皮肤健康监测和表皮信号调理。这些设备能够实时监测神经、肌肉和生理活动的多模式生物标志物，并通过无线方式将数据传输到云端，提供个性化信息用于早期诊断和监测。

4.在集成独立系统的开发中，本文探讨了从有线笨重仪器到基于柔性印刷电路板（PCB）的混合系统、应变工程软集成电路和本质软系统的进化。这些系统的独立操作能力依赖于软性或柔性电源、测量电路、无线通信、互连和封装的集成。

5.本文还强调了系统级集成策略的重要性，包括无线通信、电源、显示器、互连和封装层的设计。这些策略确保了生物电子设备的整体功能性和可靠性，为实现下一代数字医疗铺平了道路。

【图文解读】

图1：基于柔软且可拉伸的有机电子材料和器件的全身健康监测系统。

图2.皮肤上的软生物电子器件。

图3. 植入的软生物电子器件。

图 4：在皮肤仿生的生物电子设备中，无线通信和系统级集成策略。

【科学启迪】

该文章深入探讨了软性皮肤类生物电子设备在实现与人体无缝接口方面的关键挑战和科学启迪。首先，通过分子设计和材料工程，研究人员成功开发出具有柔软、可拉伸、自愈、可降解和透气等皮肤类特性的有机聚合物材料，这为生物电子设备在皮肤、大脑、心脏和神经等不同生物医学应用中的应用打开了新的可能性。其次，面对当前材料的挑战，如低载流子迁移率和水分敏感性，文章强调了进一步发展分子设计策略、优化设备工程和制造工艺的重要性。特别是在实现高密度、高性能晶体管和集成电路方面，需要精细的设备配置和界面工程。最后，文章强调了在临床应用中解决材料生物相容性、长时间佩戴舒适性及设备稳定性之间的平衡问题的必要性，这是未来开发更高级生物电子设备所必须面对的挑战。总体而言，通过跨学科的科学研究和工程创新，软性生物电子学为实现个性化医疗和实时健康监测提供了新的前景，为生物医学工程领域带来了深远的影响。

原文详情：

Zhao, C., Park, J., Root, S.E. et al. Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems. Nat Rev Bioeng (2024). https://doi.org/10.1038/s44222-024-00194-1

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