"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍一种无芯片柔性电子技术，该技术凭借其超薄、轻量化和机械柔性的特点，正在生物医学和健康监测领域掀起一场技术革命。该技术通过生物相容性材料（如PLGA和纳米薄膜硅）实现长效安全应用，并通过纳米线复合材料等设计，在机械变形环境下保持高导电性。同时，无芯片设备依托无线传输技术，如电磁耦合、声表面波（SAW）和超声波，实现了数据和能量的高效传输，打破了传统刚性电子设备的限制。无芯片柔性电子已在可穿戴电子皮肤、植入式传感器和智能隐形眼镜等领域取得成功应用，用于监测血流、压力及生物标志物，并为医疗干预提供支持。未来，该领域需在设备的稳定性、信号传输效率及大规模生产标准化等方面克服挑战，以实现更广泛的临床应用和产业化。通过进一步优化材料设计和系统集成，无芯片柔性电子将为医疗保健领域提供低侵入、高可靠性的解决方案，助力技术从实验室走向实际应用场景。 |
近年来，柔性电子学的快速发展催生了无芯片设备在生物医学和健康监测中的广泛应用。无芯片技术以其超薄、低功耗和机械柔性特性，成为替代传统刚性电子设备的创新解决方案。这种技术利用无线数据和能量传输，实现了对生物信号的高效监测与调控，并正在成为生物集成电子学的核心趋势之一。
本文总结了无芯片柔性电子的最新进展，包括材料设计、无线传输技术及其在可穿戴和植入式设备中的应用。同时，展望了该领域未来的发展方向和技术挑战。
1. 材料策略与设计
无芯片设备的成功依赖于材料的选择与结构设计，包括以下几个关键方面：
生物相容性
为确保设备与人体的长期兼容性，研究者采用可降解材料如聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）和纳米薄膜硅（Si NM），从而在生物环境中避免感染风险并实现自然降解。例如，用于心脏起搏器的设计中，这些材料通过水解反应分解为无害物质。
拉伸耐受性
柔性设备需要在机械变形下维持性能稳定。通过纳米线复合材料如多孔银纳米线（Ag NW）复合材料，设备可以在拉伸50%以上的情况下保持优异的导电性能。
小型化与轻量化
超薄半导体薄膜（如200纳米厚的氮化镓膜）在确保高性能的同时，显著减轻了设备重量，并提高了设备的贴合性和透气性。
2. 无线数据与能量传输技术
无芯片设备通过无线技术传输数据和能量，以解决传统电子设备的刚性问题。以下为主要的技术路径：
电磁耦合
基于LCR谐振回路的技术，可通过无线方式传输能量，实现动态监测，如血液流速和压力传感。
声表面波（SAW）传感器
利用声波代替电磁波，可以降低信号干扰，提高传感灵敏度，适用于压力、应变和离子浓度等生物信号的高精度监测。
磁共振与超声波技术
磁共振传感器无需电池即可通过磁振动检测压力和粘度，而超声波传感器则能实现深层组织的高穿透性监测，如颅内压和体液粘度。
设计无芯片设备以增强柔性生物电子兼容性的材料策略 (a) 可生物降解材料用于无需导线或电池的植入式心脏起搏器。(b) 相分离纳米复合材料具有超低渗透阈值特性。(c) 超薄半导体薄膜作为声表面波（SAW）传感器应用于电子皮肤中，支持无芯片和无线数据传输。
3. 无芯片设备的典型应用
无芯片设备被广泛应用于多种生物医学场景：
监测
可穿戴电子皮肤：通过SAW传感器监测应变、UV强度和离子浓度。
植入式传感器：实时监测血流、颅内压和生物标志物浓度。
调控
植入式心脏起搏器：利用无线能量传输实现无导线起搏，减少感染风险。
智能隐形眼镜：通过无线控制实现眼压调节和葡萄糖浓度监测。
特殊场景
游动机器人：监测水质及病毒指标，如SARS-CoV-2和氨离子浓度。
再生性传感器：结合pH调控实现可重复使用的生物传感功能。
无芯片、被动式无线传感器在多种生物信号检测中的耦合策略最新进展 (a) 一种可生物降解的柔性动脉脉搏传感器，利用LCR谐振电路进行无线血流监测。通过大鼠股动脉的动态血流记录实验验证其有效性。(b) 基于LCR谐振和变容二极管的无线传感系统，可检测体液中的离子、血清素和葡萄糖。通过设计不同的谐振频率实现多传感器复用检测。(c) 无芯片无线电子皮肤，配备声表面波（SAW）传感器，用于监测应变、紫外线强度和离子浓度。超薄单晶氮化镓将电信号转换为表面声波，并通过应变响应的频率变化实现可量化的监测。(d) 基于磁机械谐振器的无线被动传感器，用于监测位置、姿态和压力。通过磁体相对运动产生的电磁波，将其转换为位置信息和角度信息，精确跟踪运动和压力变化。(e) 基于磁弹性谐振器的无线被动传感系统，可检测液体粘度、压力和生物标志物浓度。此系统能够无线测量大鼠脑脊液粘度、颅内压力和葡萄糖浓度。(f) 基于超声超材料水凝胶的无线被动传感器，用于测量颅内压力、温度和pH值。参数变化引起结构变化，进而导致反射超声波频率的变化，用于高精度监测。
4. 未来展望与挑战
稳定性与可靠性
设备在机械应变下的性能稳定性仍需提升，特别是在人类动态活动环境中保持精准监测能力。
信号传输的距离与效率
当前技术的无线信号传输范围有限，特别是在深层组织监测时，需要进一步优化耦合效率。
系统协同设计
需要从材料到电路模型的协同设计，以提高整体灵敏度、能量传输效率和抗干扰能力。
标准化与大规模应用
技术的普及需要统一的行业标准，以及对设备在实际生物医学环境中的长期性能验证。
不同类型的无芯片柔性执行器，具备无线数据与能量传输能力，用于环境调控及其对应电路 (a) 一种无线供能的游动机器人，用于水质检测。(b) 基于pH敏感适配体的变构调控机制设计的可再生可卡因检测方案。(c) 一种植入式心脏起搏器，采用无导线和无线供能设计。(d) 智能隐形眼镜上的LED指示器，可显示泪液中葡萄糖浓度的变化。(e) 一种植入式照明器，通过无线供能实现开关控制。(f) 一种无线治疗-诊断一体化隐形眼镜，用于抗青光眼药物的递送与管理。
总结
无芯片柔性电子以其独特的设计理念，正在重塑生物医学和健康监测的未来。通过材料创新和无线传输技术的结合，这些设备将推动从基础研究到临床实践的转型。未来，通过进一步的优化与系统集成，无芯片技术将为医疗保健领域提供更可靠和友好的解决方案。
参考文献
Yang, Chunyu, Qi Wang, Shulin Chen, and Jinghua Li. "Ultrathin, Lightweight Materials Enabled Wireless Data and Power Transmission in Chip-Less Flexible Electronics." ACS Materials Au (2024).
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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