香港大学徐立之团队《AM》综述：柔性电子与复杂生物组织之间的3D界面
近年来，柔性功能材料领域的发展使得生物电子器件获得了类组织的力学特性，使得生物电子器件可以在医学诊疗方面提供新的功能。然而，大部分现存的柔性电子器件是由平面工艺制备，难以与具有复杂三维结构的器官和组织形成完美集成的界面。近期，香港大学机械工程系徐立之教授团队联合华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室黄永安教授团队在《Advanced Materials》上发表了题为“3D Interfacing between Soft Electronic Tools and Complex Biological Tissues” 的综述文章，对柔性电子-复杂生物组织三维界面相关研究进展进行了详细讨论。文章从柔性材料的选取和器官表面，器官内部，以及组织、细胞等不同层面上对生物电子界面的设计思路进行了综述，并对其未来所面临的挑战进行了分析和展望。
对于柔性电子而言，可选取的柔性材料涵盖了无机，有机以及复合材料。虽然硅等无机材料具有极为突出的电学特性，且已有成熟的制造方法，但其刚性和脆性的特点则需要利用额外的结构设计来适应器件在使用中的形变。其中，纳米结构，包括纳米粒子组装体，纳米薄膜和纳米线，被广泛应用。另一方面，PEDOT:PSS，PPy, P3HT等有机聚合物电子材料具有天然的拉伸适应性，从而在多数需要经受形变的电子器件中被采用。更进一步地，复合材料将CNT，金属纳米线，纳米粒子等导电物质分散在PDMS，PU等弹性体基质中，从而获得更加广泛的材料选择。
图1 适用于柔性生物电子的无机材料
构建与复杂器官表面共形的三维界面：大脑和心脏等器官具有复杂不可展的三维表面，而将平面柔性电子贴合于表面时则会对原本的平面结构施加各向异性的，不规则的形变。在大部分情况下，减少器件构成材料的模量和结构的厚度可以减少应变能，从而达成与器官表面共形。可拉伸网格结构和剪纸设计进一步地减少了贴合器官表面所需的能量驱动。此外，三维成像和3D打印技术可以用于设计制造与器官表面个性化集成的生物电子器件。
图2 与器官共形的剪纸设计和网格结构
构建与组织器官相互交织的三维电子界面：发展生物电子器件的其中一个初衷是读取大脑的神经活动。然而，仅与大脑表面贴合的器件不能完整采集大脑活动信号。而损伤性的探针在植入以后会侵占原本功能性组织的位置，破坏血脑屏障，从而导致器件-组织界面产生化学降解，相对运动，对大脑的损伤乃至过激免疫反应等一系列变化，并最终导致对器件功能和目标组织的损害。最小化探针大小和弯曲刚度，修饰探针表面等方法可以调节并减少上述的损害。多探针器件可以在多个位置读取局部细胞活动并针对指定目标进行刺激。多功能神经探针可集成发光元件等，为光遗传学研究提供便利，也可应用于生理信号的监测或药物递送等领域。可注射式的网状的电子器件可实现对大体积脑结构的监测且对自然组织造成较小的损害。柔性与多孔的特点使得其能实现更小的生物排斥反应与相对移动，为实现长期稳定的脑-机接口提供了解决方案。
图3 小型化的神经探针
构建适应细胞和组织内部的三维界面：体外实验为基础生理研究和治疗方案的研发提供了简化的，可控的环境。具有生物细胞和组织相容性的电子器件能提供实时监测和定向刺激，为生理学研究提供了更加广泛和先进的技术选择。近期对于具有细胞、组织的三维自适应性界面的柔性电子器件的研究使得其性能远超传统的器件。目前已经开发出可控尺度的细胞内信号探针，以及用于诱导、监测人造组织的电子支架等柔性生物电子器件。
图4 用于细胞内信号探测的三维纳米电子器件
本文通讯作者为香港大学机械工程系徐立之教授，共同通讯作者为华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室黄永安教授。共同作者为香港大学博士生李禾耕、刘红震、孙铭泽。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202004425
香港大学课题组网页链接：
https://lizhixu1.wixsite.com/hkulab
华中科技大学课题组公众号：柔性电子制造团队
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