The Innovation | 柔性电子器件与生物组织的融合又迈进了一步

导 读

柔性电子技术的发展为可植入电子技术提供了新的机遇，但如何把电子器件和人体组织稳定地融合起来却十分困难。人体组织很柔软，具有生物活性及离子导电性；电子材料则相对较硬，没有生物活性，通常其作用是传导电子（图1A和B）。二者之间的巨大差异导致它们的融合非常困难，很难形成稳定的界面。

科学家从鼻涕虫可以稳定快速地粘附在潮湿物体表面的现象受到启发，研发了一系列可在湿润环境中形成强韧界面的水凝胶材料。例如哈佛大学的科学家研发了一种双层水凝胶体系，可使水凝胶和组织之间形成强韧粘接界面（图1C）。其中一层可通过静电吸引和化学键作用与组织之间形成非常牢固的界面；而另一层基底则本身非常强韧，否则无法完全发挥界面的作用。对于可植入电子器件，除了要形成稳固的界面之外，还需要粘附层具有良好的导电性。

最新的一个研究采用一种可粘附生物电子界面成功地解决了这个问题。这种材料既能与生物组织以及多种电子材料形成快速（<5s）和强韧的粘结，还具有良好的导电性，可以使得生物组织与电子器件（或电极）之间进行稳定的双向电信号交互，包括生物电信号的采集和对生物组织的电刺激（图1D和E）。此外，这种材料还可以在电子器件使用完之后无创取回，这对于实际应用非常重要。

图1. (A)人机融合界面示意图。(B) 生物组织和人造材料的力学性能差异。(C) 一种可粘附在湿润生物组织上的双层水凝胶示意图。(D) 可粘附生物电子界面示意图。(E) 采用可粘附生物电子界面在心脏表面进行心电信号的采集，可得到14天内稳定的信号。(F) 一种具有极高压力分辨率的柔性压力传感器阵列。

电子器件性能的提高也很关键。人们需要非常灵敏的传感器来探测生理信号，例如，胎心的监测可提供胎儿的一些必要的健康信息，但是胎心信号非常微弱，普通的传感器难以探测。因此，需要研发极为灵敏的压力传感器来检测这种微弱的信号。灵敏度是传感器中最重要的参数之一，但它的意义可能被过分关注了。灵敏度是一个相对量，并不能准确地反映传感器的检测能力，实际体现检测压力传感器检测能力是压力分辨率。

最近，南方科技大学郭传飞课题组的博士生白宁宁等人提出了一种压力分辨率极高的柔性压力传感器（图1F）——这种传感器具有高达0.08 Pa的检测限，即使在高达3.2个标准大气压的压力下还能达到18 Pa的压力分辨率。这类传感器如果能植入体内，有望检测到体内极为微弱的力信号。

总结和展望

未来可植入电极和器件将走向集成化和高密度化。例如，Neuralink公司研发的脑机接口就集成了1024个甚至更多的电极。可粘附生物电子界面也同样朝着高密度的方向发展，而研究具有各项异性导电性的可粘附界面材料将是实现这个目标的有效途径之一。然而，如何协调电子材料的生物相容性、导电性、可粘性和高密度化是未来面临的重要挑战。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(20)30077-1

本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第二卷第一期发表的Perspective 文章“Integration of Soft Electronics and Biotissues” (投稿: 2020-10-18；接收: 2020-12-22；在线刊出: 2020-12-24；DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100074）

引用格式：Guo C., Ding L. (2021). Integration of soft electronics and biotissues. The Innovation. 2(1), 100074.

作者简介

郭传飞，2016年加入南方科技大学，现任南方科技大学材料科学与工程系副教授。主要研究领域为柔性电子学、智能软体机器人、微纳米加工、纳米材料的生长与性能等。已在Nature Materials、Nature Communications、PNAS、LSA、JACS、Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Materials Today、ACS Nano等学术期刊上发表论文100多篇。申请专利36件，已获中、美、日等国专利授权16件，其中包括美国专利授权3件。参与编写英文专著一部。关于柔性电子学方面的研究成果被《New York Times》、《新华网》、《Science Daily》、《Materials Today》、《Physics Today》等新闻媒体与科技刊物广泛报道。

课题组主页：https://faculty.sustech.edu.cn/guocf/

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