清華馮雪團隊 Adv. Mater.綜述: 用于數字醫療的柔性混合電子設備

【背景介紹】

眾所周知，材料創新和結構設計的最新進展為柔性混合電子器件提供了途徑。因此，將傳感器和無線傳輸單元等器件安裝在柔性基板上，改變了傳統固體電子產品的剛性形態，制備出來的電子設備能夠拉伸、壓縮、扭曲和彎曲成不規則形狀而不影響其功能。這種柔性的混合電子設備可以緊密地集成到人體的任意表面上而不會產生任何不適，并在自然環境中精確的收集人體生理信息。這種柔性的混合電子設備的獨特特性提供了高質量的健康信息，正在徹底改變傳統醫療向數字醫療的轉變。

【成果簡介】

近日，清華大學的馮雪教授（通訊作者）團隊鑒于近些年來，柔性混合電子設備在醫療行業的快速發展且具有極大研究應用價值，從而總結報道了柔性混合電子設備的材料創新和結構設計的簡要進展歷史。然后，介紹了柔性混合電子設備在生物電氣監測和刺激、光學監測和治療、聲學模擬和監測、仿生觸摸和體液檢測等方面的應用。最后，對未來柔性混合電子研究面臨的挑戰提出了自己的幾點看法。研究成果以題為“Flexible Hybrid Electronics for Digital Healthcare”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

1、發展簡史

圖一、柔性混合電子材料和結構的簡要發展歷史
（a）有機電子柔性顯示器在不使用時卷成筆狀裝置；

（b）由Ag薄片原位合成的Ag納米顆粒；

（c）利用Ag納米線作為透明電極形成的彈性發光二極管，其可以承受120％的應變；

（d）基于液態金屬的電阻式觸覺傳感器；

（e）結合有拉伸性和導電性（STEC）增強劑的可拉伸PEDOT薄膜；

（f）PDMS上具有受控分層的Si帶的SEM圖；

（g）PDMS上的雙軸波狀Si帶的SEM圖；

（h）實驗和計算研究以顯示拉伸時蛇紋石設計的機制；

（i）折紙；

（j）剪紙。

2、材料創新和結構設計

圖二、柔性混合電子器件的應用
（a）柔性的混合電子系統；（b）能量收集；（c）儲能；（d）超聲波傳感器；（e）溫度傳感器；（f）加熱器；（g）刺激電極；（h）NFC；（i）藍牙；（j）“波浪”結構；（k）蛇紋石；（I）柔性印刷電路板；（m）有機硅。

3、生物醫學應用

3.1、生物電監測和刺激

圖三、用于神經系統和末端器官的柔性電極
（a）神經系統和末端器官之間EP信號的雙向傳輸示意圖；

（b）柔軟、彎曲的電極系統安裝在耳廓和乳突上，用于長期記錄EEG；

（c）完全符合貓腦的超薄電極陣列的照片；

（d）將高密度基于FET的電極陣列的照片集成在貓視覺皮層上；

（e）放置在大鼠皮質表面上的生物可吸收電極陣列的照片；

（f）軟E-dura嵌入電極和化學物質以提供電化學脊髓神經調節用于在脊髓損傷后麻痹恢復運動；

（g）基于放置在皮膚上的無創石墨烯電子紋身的不易察覺的EOG傳感器系統；

（h）聚對二甲苯的柔性多電極陣列附著在犬視網膜上；

（i）表皮刺激和感應平臺，其整合在人體皮膚上用于假體控制；

（j）集成在兔心上的3D多功能電子膜。

圖四、用于周圍神經的柔性電極
（a）傳統的袖帶電極；

（b）將傳統螺旋電極的圖像放在迷走神經上；

（c）將2D PI基電極整合在坐骨神經上；

（d）基于SMP的電極的照片放置在神經周圍；

（e）SMP袖套電極植入坐骨神經；

（f）3D纏繞電極在37oC生理鹽水驅動下從2D扁平狀態形成一個柔性的神經界面；

（g）將纏繞電極置于坐骨神經上以記錄動作電位信號。

3.2、光學監測和治療

圖五、用于監控的柔性光電器件
（a）設計的一體化懸掛結構的說明和表皮光電器件的基本原理；

（b）SEM顯示了超薄光電元件的功能層表面的形態；

（c）附著在手腕上以測量血氧的表皮無機光電器件；

（d）安裝在手指上的小型脈搏血氧儀測量血氧；

（e）前臂上的柔性反射式血氧計陣列以確定氧飽和度；

（f）將紅色和綠色OLED放置在手指上且在手指下方的一個OPD像素收集透射光；

（g）BioStamp安裝在鎖骨下區域的軀干上以測量脈搏波速度和血壓；

（h）手背上的UV貼片在暴露于UV輻射時改變顏色；

（i）手指上的毫米級無線和無電池平臺用于監控太陽和光線照射。

圖六、用于光學治療的柔性光電器件
（a）基于可拉伸電子技術的光療裝置；

（b）皮下植入裝置的紅色、綠色和藍色照明的圖像；

（c）高密度CurvIS陣列的圖像；

（d）CurvIS陣列和UNE的放大圖像；

（e）硬膜外裝置相對于脊髓的位置；

（f）概念圖表明無線光流控系統在嚙齒動物大腦中的整合。

3.3、聲學模擬與監測

圖七、柔性聲學裝置
（a）安裝在胸部的表皮裝置；

（b）在講話期間放置在喉嚨中間的傳感器；

（c）可安裝在皮膚上的NM揚聲器安裝在手背上；

（d）LIG人工喉管連接在測試儀的喉部；

（e）通過柔性PMUT陣列刺激小鼠腦的概念客觀圖；

（f）安裝在人體頸部上的可拉伸超聲波裝置的示意圖。

3.4、仿生觸摸技術

圖八、柔性混合電子皮膚
（a）人體皮膚的示意圖；

（b）附在人前臂上的透氣溫度傳感器的數碼照片；

（c）表皮電子系統用于測量深達數毫米的人體皮膚的熱性質；

（d）固定在皮膚上的組裝GNN導電圖案的應變傳感器監測放大的生物信號；

（e）附著在肱動脈上的生物相容性和超柔性應變傳感器測量脈沖；

（f）CNFN壓力傳感器固定在手腕上以測量脈搏；

（g）陣列粘附在人的手掌上能夠準確感知具有六個導電腿的合成瓢蟲的位置；

（h）用于監測由軟刷或羽毛施加的切向的配置；

（i）附在手指上的傳感器的照片。

3.5、體液測試

圖九、具有代表性的生化柔性傳感器
（a）具有藥物注入的功能化納米顆粒的生物可吸收電子支架的納米材料設計和整合策略；

（b）用于測量心臟表面pH值的多功能傳感器；

（c）一系列小型空心微針以實現連續血糖監測；

（d）微流體傳感器收集汗液并分析葡萄糖和乳酸的含量；

（e）隱形眼鏡上的透明且可拉伸的納米結構傳感器用于測量淚液中的葡萄糖；

（f）插入口腔中的生物電子監測系統以測量食物攝入量。

圖十、無創血糖類皮膚生物傳感器
（a）ETC的示意圖；

（b）皮膚狀生物傳感器多層的示意圖；

（c）皮膚樣血糖傳感器；

（d）生物傳感器符合皮膚表面；

（e）口服葡萄糖耐量試驗的結果。

【總結】

綜上所述，柔性混合電子學在材料和力學方面的進展為組織工程和生物醫學領域的應用提供了潛力。然而，柔性混合型電子器件在未來的工作中仍面臨許多挑戰。首先是在空間有限的設備中設計和集成更多的單元/功能。要實現更小和更柔軟的皮膚狀電子產品，需要在空間有限的設備中設計和集成更多的單元/功能。其次是能源，對于柔性混合電子產品，其能源供應單元也應是柔性的。然而，目前的柔性能源在可靠性和功率水平上遠遠不能滿足柔性設備的需求。最后是大規模制造技術。目前，由于成本和可靠性的原因，人工電子皮膚產品的制備過程大多只能在實驗室實現，而不能實現工業化生產。

文獻鏈接：Flexible Hybrid Electronics for Digital Healthcare（Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201902062）

本文由CQR編譯。

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