点击蓝字 关注我们
01
内容概览
本综述要点
具有皮肤启发特性的生物电子材料和设备，包括柔软、可拉伸、自修复、可生物降解和可渗透，与人体形成天然界面。 分子工程方法为设计具有所需机械、电气、化学和物理特性的介电、导电和半导体聚合物提供了柔性。
类皮肤的柔性生物电子设备可用于皮肤健康监测和表皮信号调节，具有高保真度、可靠性和用户舒适度。
类组织的柔性生物电子设备与器官和组织无缝连接，以最小的组织损伤和免疫反应记录和调制信号。
柔性生物电子设备的转化应用需要系统级考虑，包括无线通信单元、电源、互连和封装。
文章名称：Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems
期刊：Nature Reviews Bioengineering
文章DOI：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00194-1
通讯作者：斯坦福大学鲍哲南院士
02
图文简介
分子工程概念也可用于开发固有柔性且可拉伸的半导体和导电聚合物，包括聚合物和多组分网络的分子设计和合成（表1）。这些策略改变了半导体聚合物的化学结构；然而，在良好的机械性能（如可拉伸性）和电性能（如场效应迁移率）之间存在权衡，机械性能通常与玻璃化转变温度以上的无定形聚合物薄膜有关，电性能主要与含有长程半结晶有序的聚合物薄膜有关。
表 1 柔性生物电子设备和系统的材料
图2 皮肤上的柔性生物电子设备。柔性生物电子设备的应用。皮肤健康监测：通过改进的皮肤-设备界面，用于高质量监测身体物理和化学生物标志物的柔性生物电子设备。表皮信号调节：用于高保真信号调节的柔性皮肤电路，以减少噪音水平和信号失真。触觉感知：类皮肤应变、压力和温度传感器，用于感知外部刺激以获得触觉感知。人工神经形态设备：仿生人工神经系统，用于神经康复应用，包括模拟生物神经网络中的信息处理的突触晶体管。皮肤上的驱动：通过柔性皮肤驱动器进行感官反馈，包括振动、电触觉和介电弹性体驱动器。
集成蛇形线路、微尺度无机LED、微流体系统和弹性体封装微尺度（图3，底部行，右侧）。该结构整合了电、光、药理和热调节功能，为神经组织提供稳定、多模的感知和调节。已经开发出各种用于神经系统记录的柔软可拉伸生物电子设备，包括微裂纹金设备、基于纳米复合材料的探针和基于固有可拉伸材料的设备。例如，超薄（约1.3μm厚）的可拉伸电极（图3，底排，左）。。尽管可拉伸生物电子学可以适应应变循环，但在适应发育组织生长方面仍存在挑战。为克服这一限制，提出了“变形电子器件”（morphing electronics, MorphE），该器件在组织生长的很长一段时间内（8 周）会发生不可逆变形，同时在短时间动态运动（每日身体运动，估计为秒到分钟级别）内保持弹性和贴合（图3，底排，中间）。
图3 植入式柔性生物电子设备。
图4 受皮肤启发的生物电子器件中的无线通信和系统级集成策略。无源标签系统：用于无线监测生理标志物的柔性无源标签。基于NFC（近场通信）的系统：用于无线数字信号传输的NFC无线电标签芯片。混合形式包括柔性电极与柔性NFC标签，如所示用于伤口监测应用。基于蓝牙的系统：包括蓝牙芯片的高功能片上系统设备，用于实时无线数据传输。显示儿科中多模态生理标志物的可拉伸模块作为示例。电源解决方案：基于摩擦电机制的可拉伸电池装置和自供电模块的示例。皮肤显示：基于固有可拉伸有机发光二极管（OLED）器件和投影器件的示例，用于皮肤上的双向用户界面。互连和封装：连接柔性传感器与刚性读出电子器件的策略示例，以及用于提高穿戴舒适性、生物安全性和电子性能稳健性的封装策略。
03
文献来源
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
免责声明：《未来传感技术》致力于分享关于未来传感技术的科学科普和技术解读。所有内容来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将24小时内删除。
