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  近年來，柔性功能材料領(lǐng)域的發(fā)展使得生物電子器件獲得了類組織的力學(xué)特性，使得生物電子器件可以在醫(yī)學(xué)診療方面提供新的功能。然而，大部分現(xiàn)存的柔性電子器件是由平面工藝制備，難以與具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的器官和組織形成完美集成的界面。近期，香港大學(xué)機械工程系徐立之教授團隊聯(lián)合華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室黃永安教授團隊在《Advanced Materials》上發(fā)表了題為“3D Interfacing between Soft Electronic Tools and Complex Biological Tissues” 的綜述文章，對柔性電子-復(fù)雜生物組織三維界面相關(guān)研究進展進行了詳細討論。文章從柔性材料的選取和器官表面，器官內(nèi)部，以及組織、細胞等不同層面上對生物電子界面的設(shè)計思路進行了綜述，并對其未來所面臨的挑戰(zhàn)進行了分析和展望。

  對于柔性電子而言，可選取的柔性材料涵蓋了無機，有機以及復(fù)合材料。雖然硅等無機材料具有極為突出的電學(xué)特性，且已有成熟的制造方法，但其剛性和脆性的特點則需要利用額外的結(jié)構(gòu)設(shè)計來適應(yīng)器件在使用中的形變。其中，納米結(jié)構(gòu)，包括納米粒子組裝體，納米薄膜和納米線，被廣泛應(yīng)用。另一方面，PEDOT:PSS，PPy, P3HT等有機聚合物電子材料具有天然的拉伸適應(yīng)性，從而在多數(shù)需要經(jīng)受形變的電子器件中被采用。更進一步地，復(fù)合材料將CNT，金屬納米線，納米粒子等導(dǎo)電物質(zhì)分散在PDMS，PU等彈性體基質(zhì)中，從而獲得更加廣泛的材料選擇。

圖1 適用于柔性生物電子的無機材料

  構(gòu)建與復(fù)雜器官表面共形的三維界面：大腦和心臟等器官具有復(fù)雜不可展的三維表面，而將平面柔性電子貼合于表面時則會對原本的平面結(jié)構(gòu)施加各向異性的，不規(guī)則的形變。在大部分情況下，減少器件構(gòu)成材料的模量和結(jié)構(gòu)的厚度可以減少應(yīng)變能，從而達成與器官表面共形。可拉伸網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和剪紙設(shè)計進一步地減少了貼合器官表面所需的能量驅(qū)動。此外，三維成像和3D打印技術(shù)可以用于設(shè)計制造與器官表面?zhèn)�性化集成的生物電子器件。

圖2 與器官共形的剪紙設(shè)計和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

  構(gòu)建與組織器官相互交織的三維電子界面：發(fā)展生物電子器件的其中一個初衷是讀取大腦的神經(jīng)活動。然而，僅與大腦表面貼合的器件不能完整采集大腦活動信號。而損傷性的探針在植入以后會侵占原本功能性組織的位置，破壞血腦屏障，從而導(dǎo)致器件-組織界面產(chǎn)生化學(xué)降解，相對運動，對大腦的損傷乃至過激免疫反應(yīng)等一系列變化，并最終導(dǎo)致對器件功能和目標(biāo)組織的損害。最小化探針大小和彎曲剛度，修飾探針表面等方法可以調(diào)節(jié)并減少上述的損害。多探針器件可以在多個位置讀取局部細胞活動并針對指定目標(biāo)進行刺激。多功能神經(jīng)探針可集成發(fā)光元件等，為光遺傳學(xué)研究提供便利，也可應(yīng)用于生理信號的監(jiān)測或藥物遞送等領(lǐng)域。可注射式的網(wǎng)狀的電子器件可實現(xiàn)對大體積腦結(jié)構(gòu)的監(jiān)測且對自然組織造成較小的損害。柔性與多孔的特點使得其能實現(xiàn)更小的生物排斥反應(yīng)與相對移動，為實現(xiàn)長期穩(wěn)定的腦-機接口提供了解決方案。

圖3 小型化的神經(jīng)探針

  構(gòu)建適應(yīng)細胞和組織內(nèi)部的三維界面：體外實驗為基礎(chǔ)生理研究和治療方案的研發(fā)提供了簡化的，可控的環(huán)境。具有生物細胞和組織相容性的電子器件能提供實時監(jiān)測和定向刺激，為生理學(xué)研究提供了更加廣泛和先進的技術(shù)選擇。近期對于具有細胞、組織的三維自適應(yīng)性界面的柔性電子器件的研究使得其性能遠超傳統(tǒng)的器件。目前已經(jīng)開發(fā)出可控尺度的細胞內(nèi)信號探針，以及用于誘導(dǎo)、監(jiān)測人造組織的電子支架等柔性生物電子器件。

圖4 用于細胞內(nèi)信號探測的三維納米電子器件

  本文通訊作者為香港大學(xué)機械工程系徐立之教授，共同通訊作者為華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室黃永安教授。共同作者為香港大學(xué)博士生李禾耕、劉紅震、孫銘澤。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202004425

  香港大學(xué)課題組網(wǎng)頁鏈接：https://lizhixu1.wixsite.com/hkulab

  華中科技大學(xué)課題組公眾號：柔性電子制造團隊