清华冯雪团队 Adv. Mater.综述: 用于数字医疗的柔性混合电子设备

【背景介绍】

众所周知，材料创新和结构设计的最新进展为柔性混合电子器件提供了途径。因此，将传感器和无线传输单元等器件安装在柔性基板上，改变了传统固体电子产品的刚性形态，制备出来的电子设备能够拉伸、压缩、扭曲和弯曲成不规则形状而不影响其功能。这种柔性的混合电子设备可以紧密地集成到人体的任意表面上而不会产生任何不适，并在自然环境中精确的收集人体生理信息。这种柔性的混合电子设备的独特特性提供了高质量的健康信息，正在彻底改变传统医疗向数字医疗的转变。

【成果简介】

近日，清华大学的冯雪教授（通讯作者）团队鉴于近些年来，柔性混合电子设备在医疗行业的快速发展且具有极大研究应用价值，从而总结报道了柔性混合电子设备的材料创新和结构设计的简要进展历史。然后，介绍了柔性混合电子设备在生物电气监测和刺激、光学监测和治疗、声学模拟和监测、仿生触摸和体液检测等方面的应用。最后，对未来柔性混合电子研究面临的挑战提出了自己的几点看法。研究成果以题为“Flexible Hybrid Electronics for Digital Healthcare”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

1、发展简史

图一、柔性混合电子材料和结构的简要发展历史
（a）有机电子柔性显示器在不使用时卷成笔状装置；

（b）由Ag薄片原位合成的Ag纳米颗粒；

（c）利用Ag纳米线作为透明电极形成的弹性发光二极管，其可以承受120％的应变；

（d）基于液态金属的电阻式触觉传感器；

（e）结合有拉伸性和导电性（STEC）增强剂的可拉伸PEDOT薄膜；

（f）PDMS上具有受控分层的Si带的SEM图；

（g）PDMS上的双轴波状Si带的SEM图；

（h）实验和计算研究以显示拉伸时蛇纹石设计的机制；

（i）折纸；

（j）剪纸。

2、材料创新和结构设计

图二、柔性混合电子器件的应用
（a）柔性的混合电子系统；（b）能量收集；（c）储能；（d）超声波传感器；（e）温度传感器；（f）加热器；（g）刺激电极；（h）NFC；（i）蓝牙；（j）“波浪”结构；（k）蛇纹石；（I）柔性印刷电路板；（m）有机硅。

3、生物医学应用

3.1、生物电监测和刺激

图三、用于神经系统和末端器官的柔性电极
（a）神经系统和末端器官之间EP信号的双向传输示意图；

（b）柔软、弯曲的电极系统安装在耳廓和乳突上，用于长期记录EEG；

（c）完全符合猫脑的超薄电极阵列的照片；

（d）将高密度基于FET的电极阵列的照片集成在猫视觉皮层上；

（e）放置在大鼠皮质表面上的生物可吸收电极阵列的照片；

（f）软E-dura嵌入电极和化学物质以提供电化学脊髓神经调节用于在脊髓损伤后麻痹恢复运动；

（g）基于放置在皮肤上的无创石墨烯电子纹身的不易察觉的EOG传感器系统；

（h）聚对二甲苯的柔性多电极阵列附着在犬视网膜上；

（i）表皮刺激和感应平台，其整合在人体皮肤上用于假体控制；

（j）集成在兔心上的3D多功能电子膜。

图四、用于周围神经的柔性电极
（a）传统的袖带电极；

（b）将传统螺旋电极的图像放在迷走神经上；

（c）将2D PI基电极整合在坐骨神经上；

（d）基于SMP的电极的照片放置在神经周围；

（e）SMP袖套电极植入坐骨神经；

（f）3D缠绕电极在37oC生理盐水驱动下从2D扁平状态形成一个柔性的神经界面；

（g）将缠绕电极置于坐骨神经上以记录动作电位信号。

3.2、光学监测和治疗

图五、用于监控的柔性光电器件
（a）设计的一体化悬挂结构的说明和表皮光电器件的基本原理；

（b）SEM显示了超薄光电元件的功能层表面的形态；

（c）附着在手腕上以测量血氧的表皮无机光电器件；

（d）安装在手指上的小型脉搏血氧仪测量血氧；

（e）前臂上的柔性反射式血氧计阵列以确定氧饱和度；

（f）将红色和绿色OLED放置在手指上且在手指下方的一个OPD像素收集透射光；

（g）BioStamp安装在锁骨下区域的躯干上以测量脉搏波速度和血压；

（h）手背上的UV贴片在暴露于UV辐射时改变颜色；

（i）手指上的毫米级无线和无电池平台用于监控太阳和光线照射。

图六、用于光学治疗的柔性光电器件
（a）基于可拉伸电子技术的光疗装置；

（b）皮下植入装置的红色、绿色和蓝色照明的图像；

（c）高密度CurvIS阵列的图像；

（d）CurvIS阵列和UNE的放大图像；

（e）硬膜外装置相对于脊髓的位置；

（f）概念图表明无线光流控系统在啮齿动物大脑中的整合。

3.3、声学模拟与监测

图七、柔性声学装置
（a）安装在胸部的表皮装置；

（b）在讲话期间放置在喉咙中间的传感器；

（c）可安装在皮肤上的NM扬声器安装在手背上；

（d）LIG人工喉管连接在测试仪的喉部；

（e）通过柔性PMUT阵列刺激小鼠脑的概念客观图；

（f）安装在人体颈部上的可拉伸超声波装置的示意图。

3.4、仿生触摸技术

图八、柔性混合电子皮肤
（a）人体皮肤的示意图；

（b）附在人前臂上的透气温度传感器的数码照片；

（c）表皮电子系统用于测量深达数毫米的人体皮肤的热性质；

（d）固定在皮肤上的组装GNN导电图案的应变传感器监测放大的生物信号；

（e）附着在肱动脉上的生物相容性和超柔性应变传感器测量脉冲；

（f）CNFN压力传感器固定在手腕上以测量脉搏；

（g）阵列粘附在人的手掌上能够准确感知具有六个导电腿的合成瓢虫的位置；

（h）用于监测由软刷或羽毛施加的切向的配置；

（i）附在手指上的传感器的照片。

3.5、体液测试

图九、具有代表性的生化柔性传感器
（a）具有药物注入的功能化纳米颗粒的生物可吸收电子支架的纳米材料设计和整合策略；

（b）用于测量心脏表面pH值的多功能传感器；

（c）一系列小型空心微针以实现连续血糖监测；

（d）微流体传感器收集汗液并分析葡萄糖和乳酸的含量；

（e）隐形眼镜上的透明且可拉伸的纳米结构传感器用于测量泪液中的葡萄糖；

（f）插入口腔中的生物电子监测系统以测量食物摄入量。

图十、无创血糖类皮肤生物传感器
（a）ETC的示意图；

（b）皮肤状生物传感器多层的示意图；

（c）皮肤样血糖传感器；

（d）生物传感器符合皮肤表面；

（e）口服葡萄糖耐量试验的结果。

【总结】

综上所述，柔性混合电子学在材料和力学方面的进展为组织工程和生物医学领域的应用提供了潜力。然而，柔性混合型电子器件在未来的工作中仍面临许多挑战。首先是在空间有限的设备中设计和集成更多的单元/功能。要实现更小和更柔软的皮肤状电子产品，需要在空间有限的设备中设计和集成更多的单元/功能。其次是能源，对于柔性混合电子产品，其能源供应单元也应是柔性的。然而，目前的柔性能源在可靠性和功率水平上远远不能满足柔性设备的需求。最后是大规模制造技术。目前，由于成本和可靠性的原因，人工电子皮肤产品的制备过程大多只能在实验室实现，而不能实现工业化生产。

文献链接：Flexible Hybrid Electronics for Digital Healthcare（Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201902062）

本文由CQR编译。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.