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一、導讀

電子學與生物組織的連接是探測和驅動生物系統的基礎。電化學和電過程中，需要材料來支持生物組織和電子學之間的相互作用，并滿足組織施加的機械約束。合適的界面材料，有利于電化學過程中電子在生物電子-組織界面的轉移和積累，用于原位刺激和傳感。而電過程需要使用高導電材料保證電子傳輸信號路由和預期工作條件。從力學角度來看，模仿組織特性的材料，如拉伸性和柔度，實現高保真感測和刺激。這可以最大限度地減少組織功能的破壞以及由疤痕形成、引線斷裂和組織損傷引起的植入物并發癥的風險。同時，這些材料的電化學和電學性能可能會受到來自組織運動和復雜應變的影響。

臨床用于生物電子-組織界面的高電化學性能的界面材料(如貴金屬基材料)都是剛性的和脆性。柔性導體和可拉伸導體的最新進展開發了具有組織樣機械性能的應變彈性器件，廣泛拉伸同時能保持其電氣連接。但當它們應用于電化學探測組織環境(包括離子生物流體周圍)時，它們的性能由于應變或腐蝕等問題而變形。在具有相對較低的電導率的器件中，其中應變引起的電阻變化導致其與預期工作點(如激活電壓)產生顯著偏差，破壞了界面上的反應。特別是在高導電材料的器件中，這些材料在暴露于周圍溶液后會迅速氧化(如銀基納米材料)，并且表面修飾改性，容易產生表面缺陷或孔隙。因此不能保證進行電化學反應所需的寬電壓范圍。

二、成果掠影

提高與組織相互作用的電子技術必須同時滿足電化學、電學和機械領域的材料限制。近日，加利福尼亞大學Sam Emaminejad團隊設計了一種分層架構復合設計，將應變產生的裂紋膜與應變隔離的界面外導電通路和界面內納米線網絡耦合，以消除應變對器件電化學性能的影響。報告創建了一個可拉伸、高導電性和應變不敏感的生物電極庫，設計實現了可臨床使用的脆性界面材料(氧化銥、金、鉑和碳)。

相關成果以“Soft strain-insensitive bioelectronics featuring brittle materials”為題發表在國際頂級期刊Science上。

三、核心創新點

1.設計了一種分層的結構復合設計，將生物電子材料構型解耦為用于電子傳遞的界面元件和電子運輸的互連元件。這種設計允許利用和耦合表面通道裂紋和各向異性的面外/面內電子傳導，以消除應變對器件性能的影響。該設計進一步允許廣泛的界面材料選擇，包括脆性貴金屬基材料。

2.創建了一個薄、柔性、可拉伸、高導電和應變不敏感的功能多樣化生物電極(SIB)的庫。將這些生物電極與不同的電化學探測方法(安培法、伏安法和電位法)配對，并演示了多種生物標志物和體內神經調節的應變不敏感傳感。

四、數據概覽

圖1 柔性應變不敏感生物電極(SIB):結構、應變耗散機制及應用

圖2 應變下Au-SIB性能的可視化和電化學表征

圖3 用于電化學傳感和刺激，具有脆性界面材料的SIB庫

圖4 ?變形的IrOx-SIB刺激坐骨神經的體內神經調節

五、成果啟示

文章利用了不同界面材料的優越電化學穩定性和銀納米線的導電性，而不受其在可拉伸生物電子中界面材料的裂紋起裂應變和銀納米線的電化學不穩定性的固有限制。材料通過使用應變不敏感和各向異性的超導電薄膜組合，在不同的界面材料陣列上實現了應變不敏感性，高導電性和電化學穩定性。除此之外，通過解除機械約束，該設計策略可應用于實現整合不同領域的優越性能的集成材料，同時實現最大可實現的跨成分材料性能。

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn5142

本文由張熙熙供稿。