前沿：综述 | 鲍哲南Nature大子刊：受皮肤启发的柔性生物电子材料、设备和系统- 大数跨境

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前沿：综述 | 鲍哲南Nature大子刊：受皮肤启发的柔性生物电子材料、设备和系统

两江科技评论

2024-11-12

导读：近日，美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士鲍哲南在Nature子刊上发表了一篇文章，综述了软有机和混合电子材料、器件组件和集成系统在生物医学应用方面的最新进

文章来源：柔性新材料

近日，美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士、美国艺术与科学院院士鲍哲南在Nature子刊上发表了一篇题为“受皮肤启发的软生物电子材料、设备和系统”的文章，综述了软有机和混合电子材料、器件组件和集成系统在生物医学应用方面的最新进展。首先讨论了实现柔软和可拉伸器件的策略，强调了结合内在可拉伸功能材料的分子和材料设计概念。接下来，描述了用于皮肤传感和假肢的可穿戴设备的设计策略和考虑因素。然后讨论了由材料和具有组织样机械性能的集成设备实现的植入式设备的进展。最后，总结了用于构建独立集成系统和全身网络的策略。

01.文献信息

文献题目：Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems

DOI：10.1038/s44222-024-00194-1

原文链接：https://www.nature.com/articles/s44222-024-00194-1

（文末附论文下载地址，点击一键下载）

02.主要内容

研究背景

可穿戴和植入式生物电子设备通过提供实时多模式生理监测和治疗，正在彻底改变生物医学科学。生物电子设备与生物系统接口，以监测或刺激生理过程。这些系统与人体相结合，提供及时的预防策略、早期诊断和医学治疗。此外，新的生物电子设备可以模仿、恢复甚至增强人类的能力。再加上快速发展的“物联网”，生物电子学领域的定位是通过监测生理状况和与医疗保健提供者共享实时数据来实现下一代数字医疗保健。

材料特性

生物电子材料需要与生物体紧密接触，所以在开发中，需要满足以下性能需求：

柔软度：柔软度是一个相对术语，描述材料在外力作用下的变形趋势。在有机生物电子器件材料中，柔软性通常是指弹性模量低（< 1-10 MPa）的材料。研究表明，具有较低弯曲刚度的器件会产生较少的免疫反应。由于弯曲刚度与厚度的三次方成正比，超薄器件提供了低弯曲刚度和符合弯曲器官和组织的能力。（参考文献115）

可拉伸性：可拉伸性描述了材料在不破坏或失去其结构完整性的情况下变形的能力。这种特性对于生物电子器件是有利的，因为许多器官和组织在日常生活中经历动态运动和应变。例如，在跑步活动中，人体皮肤通常承受10-15%的压力（最大压力高达60%），心脏在心脏周期中承受20%的压力。即使在脑组织中，呼吸和血管脉动也会产生~10µm范围内的恒定微运动。因此，需要可拉伸的生物电子设备来保持与组织动态运动的保形接触，以实现高质量的记录和刺激。（参考文献249~251）

自修复：自修复材料，如活组织，可以从某些形式的损伤中修复并恢复设备功能；动态键包括可逆的分子间和超分子相互作用，可纳入柔性聚合物骨架设计自愈聚合物。在生物电子设备中加入这些材料可以通过提供损伤修复机制和提供新形式的动态功能来延长其使用寿命。（参考文献252~254）

生物可降解性：生物可降解性是一个定义宽松的术语，表示在生理或自然条件下可以降解的材料或设备。在植入式生物电子器件中，降解后的副产物应具有生物相容性或对人体和环境的低毒性。在生物电子学领域，术语“生物可降解”通常与“生物可吸收”交替使用，后者指的是在人体内完全降解，不留下任何残留的异物或产生持续的炎症反应。完全生物可吸收的设备用于体内电生理记录和刺激，使用的材料包括金属（例如，Mg和Fe）、半导体（例如，Si）和衬底（例如，丝素蛋白和聚乳酸-羟基乙酸（PLGA））（参考文献145、258）

透气性：透气性描述了气体或蒸汽通过材料的能力，是可穿戴和植入式电子产品的重要特性，可以防止排汗阻塞并提高用户舒适度。生物电子器件的水蒸气透过率（WVTR）应与人体皮肤的水蒸气透过率（WVTR为22-28 g m−2 h−1）相当，才能被认为是透气的。（参考文献263~265）

图1:生物材料和人体器官的模量和最大应变

表皮传感

皮肤是人体最大的器官，是人体与外界环境互动的界面。皮肤通过排汗产生大量分泌物，以维持热稳态，其中含有离子、代谢物和蛋白质。因此，皮肤提供了提取物理和化学生物标志物信息的重要界面。

表皮信号调节：从可穿戴设备获得的传感信号通常需要进行信号处理，如放大和滤波。开发了一种基于OECT的互补逆变器，其共面垂直OECT结构和双极性OMIEC材料同时具有p型和n型OECT行为。与单极器件相比，该材料使互补OECT逆变器具有更低的功耗和更好的噪声容忍度。心电信号通过逆变器放大，与商用心电电极相比，增益约为10。（参考文献85）

触觉反应：触觉系统使人体能够感知外部世界，并推断物体的物理特性，包括刚度、纹理、粗糙度和温度。软触觉传感器在机器人和假肢领域的应用使人工感觉成为可能。设计了一种同时监测和区分热刺激和机械刺激的电子皮肤，其方法是使用含有离子液体的聚合物凝胶，该聚合物凝胶由聚（聚氟乙烯-共六氟丙烯）与1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲基磺酰基）亚胺（EMIM-TFSI）混合制成。这种材料中的阻抗可以根据离子弛豫动力学对温度和机械应变的依赖性的差异来解耦。（参考文献92）

人工神经系统：大脑体感皮层对触觉的感知通过运动皮层指导肌肉运动。人工神经系统可以将外部人造皮肤的感觉信号转换为电脉冲模式和突触后电流。大多数人工神经仍然需要连接到刚性模块进行信号处理，这限制了它们将整个系统与人体集成的能力。为了克服这一挑战，开发了一种集成的软电子皮肤，将多模态传感器与信号调节和闭环驱动相结合。在这个集成电路中，ofet的低压工作（~5 V）是通过设计一个介电三层来实现的，包括具有~28高介电常数的丁腈橡胶。（参考文献87）

图2：皮肤表面柔性生物电子装置

植入传感

柔性生物电子技术也可以应用于植入式设备。尽管在动物模型（通常是啮齿动物或猪）中已经证明了植入式装置的几个概念验证，但它们的临床转化仍然存在挑战，例如设备制造和可靠性，以及满足监管部门批准的严格要求。

植入大脑的柔性生物电子：

脑机接口在脑部疾病的诊断和治疗中的应用取得了令人兴奋的进展。但主要的挑战是大脑和刚性探针之间的机械不匹配，这会导致组织损伤、疤痕形成以及随着时间的推移感知和刺激性能下降。现有的研究有：以PEDOT:PSS为界面材料，开发了256通道软适神经界面阵列，在不穿透脑表面的情况下测量动作电位和局部场电位（参考文献116）；使用柔软且可拉伸的PEDOT: pss电极阵列对啮齿动物脑干模型进行神经刺激（参考文献31）。

植入心脏的柔性生物电子：

高分辨率心脏电生理监测为了解、诊断和治疗心房纤颤等心血管疾病提供了重要信息。由于恒定的体积收缩和扩张周期，心肌细胞变形高达20%，因此需要能够适应高应变而不限制或干扰正常心功能的生物电子设备。例如，主要使用无机材料（Au, Si， InGaN和IrOx）开发了具有蛇纹结构和刚性岛的3D多模态弹性膜，以与心脏形成稳定的界面。使用这种方法开发了多模态心脏传感器和执行器，包括用于电生理记录和刺激的电极、机械应变传感器、温度传感器、pH传感器、加热器和用于热和光刺激的led（每0.25 cm2 ~2个传感器）（参考文献139）；为了进一步提高器件的可拉伸性并在拉伸过程中保持其导电性，开发了基于纳米复合材料的可拉伸电极。例如，在弹性嵌段共聚物（SBS）基体中嵌入金-银纳米复合材料的蛇形结构心脏网格，在类似器件密度（每0.25 cm2约2个传感器）的情况下，拉伸性能可达266%，最大可达840%（参考文献140）

图3：植入式柔性生物电子装置

图4：基于柔软可拉伸有机电子材料和器件的全身健康监测系统

系统架构

除了传感器和执行器之外，一个独立的生物电子系统还需要电源、数据采集和通信策略。理想的身体区域柔性生物电子网络（bodyNET）将由多模态可穿戴和植入式皮肤电子设备组成，这些电子设备可以独立操作，并通过无线网络连接，向佩戴者提供实时反馈。因此，需要解决无线策略、电源解决方案、皮肤上显示以及互连和封装等实际问题。柔性和可拉伸的电力系统将是皮肤上生物电子系统的理想选择。