柔性電子大牛John A. Rogers、Takao Someya、鮑哲南、馮雪、段鑲鋒最新進展

Science：具有適應性和透氣性的高度可拉伸范德華電子薄膜（Highly stretchable van der Waals thin films for adaptable and breathable electronic membranes DOI: 10.1126/science.abl8941）

電子系統與不規則軟物體的共形集成是許多新興技術的關鍵。加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授和黃昱教授團隊等人報道了由交錯二維納米片與范德華界面組成的薄膜設計。在交錯的納米片之間，薄膜具有滑動和旋轉自由度，以確保機械拉伸性和延展性。納米通道的滲透網絡，以賦予滲透性和透氣性。獨立式薄膜與生物軟組織具有良好的機械匹配，能夠自然適應局部表面形貌，并與具有高度保形界面的生物體無縫融合，使生物體具有葉柵晶體管、皮膚柵晶體管等電子功能。皮膚上的晶體管允許高保真監測和局部放大皮膚電位和電生理信號。

?圖1 皮柵 VDWTF 晶體管的構建和性能表征

Sci. Adv.：用于監測血流速度的柔性多普勒超聲裝置(Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity?DOI: 10.1126/sciadv.abi9283)

血管重建手術后血栓形成和再狹窄可能導致并發癥，如中風，但臨床手段持續監測血管狀況的方法是缺乏的。傳統的超聲探頭是剛性的，對于術后皮膚脆弱的患者不友好。而基于熱分析等的技術只提供相對的流量變化，檢測深度較淺。在此，清華大學馮雪等人介紹了一種基于多普勒效應的柔性多普勒超聲連續監測深埋動脈血流絕對速度的裝置。該器件厚度僅1mm，重0.75g，可輕柔貼附于皮膚表面，并達到和臨床大型超聲設備相近的測量精度。當采用雙光束多普勒方法時，避免了多普勒角對速度測量的影響。可穿戴多普勒設備具有提高重建手術后患者護理質量的潛力。

圖2 多普勒超聲裝置原理圖及設計

Adv. Healthcare Mater.：加速慢性傷口療愈的柔性超聲貼片(Flexible Ultrasonic Patch for Accelerating Chronic Wound Healing? DOI: 10.1002/adhm.202100785)

超聲治療是加速慢性創傷愈合的有效方法。但傳統的超聲探頭不能適應創面，使用范圍有限，治療效果不穩定，應用不廣泛。此外，液體偶聯劑的使用增加了傷口感染的機會。清華大學馮雪等人提出了一種可有效治療慢性創傷的柔性超聲補片的設計與制作策略。將貼片中的壓電陶瓷離散成若干線性排列的單元，這些單元集成在柔性電路基板上。采用薄水凝膠貼片作為包封層和偶聯層，避免傷口感染，保證超聲穿透。超聲貼片柔軟、輕，能完全附和治療區域。貼片的彎曲使聲束集中在彎曲圓的中心，實現了對目標處理區域的控制。對部分II型糖尿病大鼠進行了超聲治療實驗，免疫組化(IHC)結果表明，超聲通過激活真皮和表皮層的Rac1來加速傷口愈合。治療結果表明，超聲治療的傷口愈合速度快于無超聲治療的傷口。愈合時間縮短約40%。?

圖3 柔性超聲貼片的原理、設計與制作

Adv. Healthcare Mater.：納米網格電極高精度，連續，長期監測皮膚電阻(Highly Precise, Continuous, Long-Term Monitoring of Skin Electrical Resistance by Nanomesh Electrodes DOI: 10.1002/adhm.202102425)

經皮失水作為一種直接評價皮膚角質層屏障功能的方法已被廣泛應用。然而，經皮失水不能長時間連續測量，也沒有連續監測皮膚屏障功能的報道。東京大學Takao Someya教授團隊等人報道了一種通過納米網電極長時間持續監測皮膚電阻的方法，同時保持皮膚不抑制水分蒸發的自然狀態。同時，測量的皮膚電阻納米網電極和經皮失水顯示一個高的負相關線性擬合。此外，在日常生活中，通過納米網電極監測皮膚電阻30小時，成功地實現了皮膚生理功能的動態可視化。?

圖4 SReM的長期測量及水分流失的比較

Adv. Sci.：抑制鋅元素擴散增強超薄和高效的有機光伏的空氣穩定性(Ultrathin and Efficient Organic Photovoltaics with Enhanced Air Stability by Suppression of Zinc Element Diffusion DOI: 10.1002/advs.202105288)

超薄(厚度小于10 μm)有機光伏(OPV)可應用于軟機器人和可穿戴電子領域。超薄OPV的應用除了具有較高的功率轉換效率外，在各種環境應力下的穩定性也是至關重要的。在本研究中，東京大學Takao Someya教授團隊等人實現了高空氣穩定性、超薄(≈3μm)具有高效率 (15.8%)和卓越的功率/重量比33.8W g^?1的OPV。采用動態二次離子質譜法檢測鋅離子從電子傳輸層氧化鋅(ZnO)到光活性層界面的擴散，這種擴散導致了超薄OPV在空氣中的降解。通過螯合策略抑制Zn的擴散，得到了穩定的超薄OPV，室溫下在空氣中放置1574小時后保持了89.6%的初始效率。輕量化穩定的OPV具有良好的變形性能，壓縮率為33%的壓縮-拉伸試驗5000次后，初始性能保持率為87.3%。

圖5 超薄OPV的功率重量比及拉伸和壓縮

Adv. Sci.：皮膚界面的微型微流控分析和輸送系統用于比色測量汗液中的營養素和通過皮膚提供維生素的供應(A Skin-Interfaced, Miniaturized Microfluidic Analysis and Delivery System for Colorimetric Measurements of Nutrients in Sweat and Supply of Vitamins Through the Skin DOI: 10.1002/advs.202103331)

營養物質在維持核心生理功能和預防疾病方面發揮著關鍵作用。輸送這些營養物質和監測其濃度的技術可以幫助確保適當的營養平衡。外泌汗腺汗液是一種潛在的有吸引力的生物液體，因為使用皮膚集成微流體技術可以輕松地、無侵入性地從身體幾乎任何部位捕捉汗液。美國西北大學John A. Rogers教授等人介紹了一種這種類型的微型系統，它可以簡單、快速地比色法評估汗液中多種必需營養素的濃度，同時不需要任何輔助電子設備。一種直接與微流體集成的透皮貼片支持這些物質持續輸送到身體,與傳統實驗室分析方法的測量結果進行了比較，驗證了該平臺的準確性和可靠性。人體測試揭示了汗液中這些營養素濃度的時間動態變化與血液中相應濃度的時間動態變化之間的相關性。在食用某些食物和飲料之前和之后進行的研究突出了監測營養平衡的實際能力，具有作為指導個性化飲食選擇的基礎的強大潛力。

圖6 微型汗液微流控裝置的示意圖

Extreme Mechanics Letters：用于皮膚界面可穿戴設備和軟機器人的人造可伸縮裝甲(Artificial stretchable armor for skin-interfaced wearable devices and soft robotics DOI: 10.1016/j.eml.2021.101537)

像犰狳和穿山甲這樣的動物有天然的盔甲，作為一種機械的形式來保護它們免受捕食者的傷害。在自然界中存在的幾種類型的盔甲中，由薄的彈性體基板和重疊的硬鱗片組成的結構可以保護底層軟組織免受物理沖擊和局部應力，同時保持一定程度的自然運動所需的機械順應性。在這里，美國西北大學John A. Rogers教授等人設計和制造了一類從這些自然系統中獲得靈感的人造盔甲。優化過程包括對幾個候選設計進行系統測試，以評估它們在不同類型機械應力下的機械穩定性。最終的平臺為可穿戴電子設備和軟機器人系統提供了高效的保護層，對其功能幾乎沒有限制。\

圖7? ASA在表皮電子器件中的應用

JACS：可拉伸聚合物半導體的分子設計:當前進展及未來發展方向(Molecular Design of Stretchable Polymer Semiconductors: Current Progress and Future Directions DOI: 10.1021/jacs.2c00072)

可伸縮聚合物半導體在過去的十年里發展迅速，因為柔性電子產品需要材料實現舒適和柔軟的像皮膚一樣。通過合理的分子水平設計，可伸縮聚合物半導體薄膜現在能夠保持其電氣功能，即使受到重復的機械變形。此外，它們的載流子移動性與最好的柔性聚合物半導體相當，有些甚至超過了非晶硅。其中關鍵的進步是分子設計概念，它允許多種應變能量耗散機制，同時在多種長度尺度上保持高效的電荷傳輸路徑。在這篇文章中，斯坦福大學鮑哲南團隊回顧了在保持高電荷載流子遷移率的同時賦予聚合物半導體可拉伸性的策略，其中的重點是控制聚合物鏈動力學和薄膜形態。此外，還提出了構建彈性半導體的分子設計考慮，構建彈性半導體是器件在可逆和重復變形下可靠運行所必需的。一種涉及誘導聚合物半導體納米限制的通用方法引入到其他幾個所需的功能，如生物降解性、自愈性和光致可移植性，同時增強電荷傳輸。最后，研究指出了未來的發展方向，包括推進對形態演化及其與應變下電荷輸運變化的關系的基本理解，以及對具有高遷移率的應變彈性聚合物半導體的需求。

圖8 聚合物半導體的組成與性質

AM：含有雙金屬納米催化劑固定在納米孔水凝膠中的智能隱形眼鏡，用于長期和穩定的CGM(Bimetallic Nanocatalysts Immobilized in Nanoporous Hydrogels for Long-Term Robust Continuous Glucose Monitoring of Smart Contact Lens DOI: 10.1002/adma.202110536)

用于連續血糖監測(CGM)的智能隱形眼鏡具有巨大的臨床應用潛力。到目前為止，淚液血糖監測跟蹤血糖水平的準確檢測存在很大挑戰。在這里，浦項科技大學 Sei Kwang Hahn團隊聯合鮑哲南等人通過將雙金屬納米催化劑固定在智能隱形眼鏡的納米多孔水凝膠中，證明了可對糖尿病兔體內進行長期穩定的CGM。葡萄糖氧化酶氧化還原反應后，納米催化劑促進過氧化氫的快速分解和納米顆粒介導的電荷轉移，并通過納米多孔水凝膠的快速膨脹顯著改善擴散。視覺葡萄糖傳感器具有靈敏度高、響應時間快、檢測限低、滯后低、傳感器預熱時間短等優點。在糖尿病兔身上，智能隱形眼鏡可以檢測撕裂血糖水平，與血糖計和CGM裝置測量的血糖水平一致，反映出快速的濃度變化而沒有滯后。人體CGM證明了智能隱形眼鏡進一步臨床應用的可行性。

圖9 糖尿病監測用智能隱形眼鏡示意圖

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本文由junas供稿。