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鮑哲南院士,最新Nature Reviews Bioengineering!

研究背景
軟性生物電子設備是由軟性、高分子基和混合電子材料制成的設備,與人體形成自然界面,因其在多模式生理監測和實時治療中的巨大潛力,成為了研究熱點。然而,傳統生物電子設備通常是剛性且不可伸展的,與柔軟且動態的組織和器官存在機械不匹配,導致組織損傷、免疫反應和慢性炎癥等問題。此外,剛度的不匹配導致非貼合接觸、粘附性差和脫層,妨礙電、化學、機械和光信號在體內外的有效傳輸。這些技術挑戰限制了生物電子設備的功能性能、穩定性和可靠性。
成果簡介
為了解決這些挑戰,斯坦福大學(Stanford University)鮑哲南教授等在Nature Reviews Bioengineering期刊上發表了題為“Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems”的最新綜述。科學家們提出了使用軟性和可拉伸材料來開發生物電子設備的方法。通過分子設計和材料工程,研究人員開發了具有低彈性模量的功能性電子聚合物及其與金屬和無機納米材料的復合材料。這些材料不僅柔軟、可拉伸,還具備自愈能力、可降解性和透氣性,能夠更好地與人體組織和器官接口。例如,通過幾何圖案化薄層無機設備層為蛇形結構,實現了低彎曲剛度和可伸展性,從而在材料本身不可伸展的情況下達到了所需的柔性。
此外,研究人員還開發了集成獨立軟性生物電子系統的策略,從有線笨重儀器到定制印刷電路板(PCB)基混合系統、應變工程軟集成電路和本質軟系統。這些系統集成了無線通信、電源、測量電路、顯示器、互連和封裝層,顯著提高了設備的功能性能和應用范圍。
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研究亮點

1. 皮膚啟發的材料設計:
    • 通過分子工程方法設計介電、導電和半導電聚合物,實現了類似皮膚的柔軟性、可拉伸性、自愈能力、可降解性和透氣性。

    • 這些材料可以有效減少與生物組織的機械不匹配,從而降低組織損傷、免疫反應和慢性炎癥的風險。

2. 生物電子設備的功能性改進:
    • 引入了功能性有機聚合物和復合材料,例如嵌入納米至微米級別無機材料的絕緣聚合物復合物,以實現低彈性模量和高伸展性。

    • 采用幾何圖案化的薄層設計,如蛇形幾何結構,使得本質上不可伸展的材料也能實現低彎曲剛度和高可伸展性,以適應人體復雜的運動和形態。

3. 應用于健康監測和治療的進展:
    • 軟性生物電子設備已應用于多模式生物標志物的監測,涵蓋神經、肌肉和生理活動。

    • 實時數據可以通過無線傳輸到云端,為個性化的早期診斷和監測提供數據支持,促進了醫療健康管理的發展。

4. 集成系統的發展和應用:
    • 討論了從傳統的有線笨重設備到柔性印刷電路板(PCB)基混合系統、應變工程軟集成電路和本質軟系統的演進。

    • 集成了軟性或柔性電源、測量電路、無線通信、互連和封裝,為實現獨立操作的生物電子系統提供了關鍵技術和策略。

5. 未來發展方向:
    • 展望了生物電子學在醫療保健中的潛在貢獻,特別是結合物聯網技術,實現實時監測和數據共享,推動數字化醫療的發展。

    • 強調了軟性生物電子設備在仿生學和治療上的潛力,包括模擬皮膚觸覺、人工神經系統和可降解植入設備的未來應用前景。

圖文解讀

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圖1:基于柔軟且可拉伸的有機電子材料和器件的全身健康監測系統。
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圖2. 皮膚上的軟生物電子器件。
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圖3. ?植入的軟生物電子器件。
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圖4:在皮膚仿生的生物電子設備中,無線通信和系統級集成策略。
結論展望

本文探討軟性皮膚類生物電子設備在醫學應用中的前景和挑戰。首先,通過分子設計和材料工程策略,實現了具有皮膚類特性的軟電子材料,如柔軟性、可拉伸性和透氣性,為生物電子設備與人體組織的自然接口提供了新的可能性。其次,文章強調了在設備制造和系統集成方面的技術創新需求,包括高性能半導體的開發、工藝控制的優化以及封裝材料的選擇。這些技術進步不僅能提升設備的穩定性和可靠性,還能促進生物電子設備向實際臨床應用的轉化。此外,文章還深入討論了在提升設備性能的同時,如何平衡材料生物相容性和用戶舒適性的挑戰。
為了解決這些問題,未來的研究需要集中精力開發既具有高電子功能性又對環境敏感性低的滲透性材料。綜上所述,通過綜合化學科學和工程學的交叉應用,軟性皮膚類生物電子設備將為個性化醫療和實時生理監測帶來顯著進展,推動醫療技術向更高水平的發展。
文獻信息
Zhao, C., Park, J., Root, S.E. et al. Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems. Nat Rev Bioeng (2024). https://doi.org/10.1038/s44222-024-00194-1

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