随着电子科技的发展，柔性生物电子技术已经成为连接人类健康与智能科技的桥梁，通过将电子器件与人体组织融合，能够实现健康监测、安全防护以及疾病治疗等一系列功能。
然而，现阶段柔性生物电子器件开发也面临诸多挑战，比如确保电子器件与人体组织的完美兼容、如何实现电子器件的长期稳定植入/佩戴、如何提高传感器的灵敏度与准确性等难题，影响电子设备的实际体验与治疗效果。
围绕柔性生物电子器件开发，「生辉」近期采访了澳门大学科技学院机电工程系助理教授姜颖博士，访谈中她结合课题组在柔性电子技术领域的研究进展、应用场景以及产业转化等多个方面进行了分享解读。
姜颖拥有微电子、材料、生物医学工程等交叉学科背景。她本科毕业于中山大学微电子系，硕士毕业于清华大学物理系（师从王佳平教授）。在新加坡南洋理工大学获得博士学位后，她师从陈晓东教授继续从事博士后研究。而后，她作为访问博士后加入斯坦福大学，与鲍哲南教授合作开展研究。今年 3 月，姜颖加入澳门大学科技学院机电工程系，担任助理教授、博士生导师，独立课题组负责人。
现阶段，姜颖课题组聚焦柔性生物电子器件，通过材料合成、结构力学、生物传感等交叉学科开发可穿戴 / 可植入的生物界面柔性可交互传感系统。截至目前，她已在 Nature、Advanced Materials、Nature Communications、Accounts of Chemical Research 等期刊发表论文 20 余篇。
开发 BIND 界面可实现柔性电子器件模块化组合
柔性生物电子器件具备与人体相匹配的弹性和柔软特性，相较于硬质硅基器件，其更易贴合人体，可实现健康信号的动态监测和精准医疗。
“柔性生物电子器件的基本模块，包括直接贴合人体的柔性模块、负责数据传输和运算的硅基硬质模块，以及保护器件的封装模块。”姜颖介绍道，“由于这些模块在形状、材料和加工条件等方面各不相同，通常需分别制备，再通过商用导电胶进行组装。然而，因‘木桶短板原理’，商用导电胶的弱接口限制了柔性生物电子器件的整体稳定性。”她指出。
为此，在博士和博士后期间，姜颖在新加坡南洋理工大学陈晓东教授的课题组中，与斯坦福大学鲍哲南教授、中国科学院深圳先进技术研究院刘志远教授共同研发了一种双连续 BIND 界面。“这一界面基于嵌段聚合物与金纳米颗粒的结合，在面对面贴合时形成‘魔术贴’般的机械和导电双重黏合，是一种此前未曾报道的新现象。”她说道。
随后，研究团队通过原子力显微镜和分层俄歇电子能谱等多种表征手段揭示：这种双重黏合源于金属纳米颗粒和嵌段聚合物相互渗透所形成的双连续纳米网络。“BIND 界面不仅能连接不同功能的柔性模块，还可用于硬质模块和封装模块的‘乐高式’组装，从而实现柔性电子器件的模块化组合。”她指出。
接下来，他们与中科院深圳先进院李光林研究员课题组及新加坡国立大学 Yen Shih-Cheng 教授团队等生物医学工程领域的专家合作，利用 BIND 界面成功组装了植入式神经调控传感器和体表多通道电生理信号传感器，并验证了该接口的稳定性及其在提升生理信号质量方面的优势。
图｜基于双连续纳米互穿网络的可拉柔性通用接口（来源：受访者）
他们将论文投稿 Nature 后仅 3 天便收到了送审邮件，在返稿意见中，一位审稿人建议深入探讨 BIND 界面双连续纳米网络结构的生长机理。
“我们认为这一建议至关重要，毕竟我们研究的是一种新型纳米结构，需要从微观机理解释宏观实验现象。”姜颖说道。随后，他们与南洋理工大学高华健教授课题组合作，通过分子动力学模拟构建了 BIND 界面的双连续网络生长模型。
“不同于经典 Volmer-Weber 生长理论下的传统硅基衬底，该模型揭示了聚合物流体衬底与高动量金属原子间的独特相互作用，展示了一种全新的生长模式。”她说道。
目前，这项研究以“A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices”为题发表在 Nature 上。Nature 研究简报（Research Briefing）以“Stretchy electronic devices assembled in a Lego-like way”为题对该项研究成果进行了专题报道。
（来源：Nature）
据介绍，围绕柔性生物电子器件的研究，姜颖和团队此前还有两项代表性成果，为后续柔性生物电子系统接口集成的关键技术打下了基础，同时也促进了他们思考如何突破柔性可交互传感系统的实用化瓶颈。
一项是基于负泊松比机械超材料的柔性应变传感器设计与制备。“通过有限元模拟和电压分布计算，我们验证了负泊松比结构在微裂纹扩展上的独特作用，显著提升了传感器的灵敏度。”姜颖说道。目前，这项研究已经发表在 Advanced Materials 上。
（来源：Advanced Materials）
另一项发表在 Accounts of Chemical Research 上的研究是基于基底异质应变分布的灵敏度增强策略，旨在提升柔性应变传感器性能。“这个策略通过欧姆定律和材料力学模型的理论证明，展示了通过活性材料与基底的异质应变设计，有效提高传感器响应。”她表示。
（来源：Accounts Of Chemical Research）
“这两项研究优化了单个柔性模块，然而柔性生物电子系统的应用需要各个模块高效集成协作，尤其需要可靠的接口支撑，如若单个模块性能优异但接口表现不佳，仍会限制整体效果，这也是我们后续转向柔性系统集成接口研发的原因。”姜颖说道。
基于前期研究成果与企业机构进行转化
围绕柔性生物电子器件开发，姜颖表示，“这是一个典型的跨学科研究领域，涉及化学、材料科学、机械工程、电子工程、生物学和医学工程等多个学科的紧密合作。”不同学科按基础到应用的顺序排列，比如，化学工程主要从分子尺度进行材料的设计与合成，确保材料具有优异的电学和机械性能；而医学工程则专注于将这些新材料和技术转化为实际的医疗和健康监测解决方案。“因此，各学科的研究团队必须紧密协作，以促进柔性生物电子器件领域的技术创新与应用进展。”她说道。
应用层面，柔性生物电子器件的应用可大致分为体外和体内两大类，分别适用于广泛人群的健康监测和特定患者的疾病治疗需求。
具体而言，在体外应用方面，例如电子皮肤。“作为一种柔性传感器，电子皮肤通过轻便、无感的贴敷方式采集健康信号，其柔软度和弹性使其能够很好的贴附于人体皮肤表面，不会干扰日常活动，可监测体温、心率、肌电以及呼吸频率等多项生理参数，为个体健康管理提供实时数据。”姜颖介绍说。
在体内应用方面，例如神经调控电子器件。“这主要面向特定的医疗需求人群，比如因外伤或神经损伤导致的运动功能缺失患者。通过植入柔性神经调控器件，可以实现对神经信号的读取和传输。”她表示。
以截肢患者为例，柔性神经调控器件能够与残肢神经末梢互动，解读患者的运动意图，将其传递至假肢，从而实现假肢的控制；反向通路上，假肢反馈的触觉或压力感知也可通过柔性器件传递至残肢神经系统，为患者提供更接近自然的触觉体验。“与硬质神经植入设备不同，柔性神经调控器件具有良好的生物相容性，适应长时间植入，降低了硬质器件常引起的组织刺激风险。”她指出。
图｜姜颖课题组成员（来源：受访者）
产业层面，在姜颖看来，“实验室成果向商业化迈进的过程中，主要挑战在于系统集成的复杂性。不同模块因材料特性差异而具备不同的形状因子、机械及电学参数，实现其有效集成和组装是技术关键。此外，商业化还需制定统一的测试过程、参数定义和使用标准，以确保产品性能的可比性和互操作性，从而推动整个行业的规范化发展。”
谈及技术转化，姜颖表示，“我们团队此前开发的柔性接口技术在论文发表前已获得 PCT 国际专利和中国发明专利。现阶段，我们正采取实验室研发与企业合作并行推进的方式，推动该技术的产业转化。”
其一，实验室研发方面。“目前的柔性接口技术为第一代产品，仍存在接口重复使用、电导率优化以及长期植入的生物相容性等技术局限。为克服这些局限性，我们计划结合生物医学、分子动力学和有机合成等跨学科方法研发新一代生物电子器件的组装范式，开发智能化、柔性化、交互式的人机接口传感器件，用于人体健康信号的数字化感知系统。”她表示。
其二，企业合作转化方面。“我们正与京津冀国家技术创新中心、山东大学生物医学传感工程技术研究中心，以及山东仁康医疗科技有限公司等展开深入合作，致力于推动柔性传感技术的实际应用。”她介绍说。
“实验室研发与企业合作的双向推进模式，不仅确保了技术性能的持续优化和应用适配，还构建了从基础研究到临床转化的完整创新链条。特别是在柔性生物电子的组装技术方面，通过产学研的深度融合，我们将推动该技术在医疗健康领域的实际应用，助力更有效的人体数字化感知临床解决方案的开发。”姜颖总结道。
参考资料：
1.https://doi.org/10.1038/s41586-022-05579-z
2.https://www.fst.um.edu.mo/eme/academic-staff/
