深受Nature\Science喜爱的柔性电子技术｜大牛来袭

柔性电子器件因其可在弯折、扭曲、折叠、拉伸等情况下仍能保持稳定的电学性能而成为当下科学研究的热点之一。相比常规硬质器件，柔性电子器件在诸如柔性传感器、可穿戴设备、能源存储、植入医疗等领域有着广泛的应用。本文梳理了最近相关的研究成果，供大家学习参考。

Science：高密度弹性电路的单片光学微光刻技术

高分子电子材料使柔软和可伸缩的电子成为可能。然而，相对于硅基器件，由于缺乏一种通用的用于皮肤状和弹性电路的微/纳米制造方法，导致器件密度低，并行信号记录和处理能力受限。美国斯坦福大学鲍哲南教授等人提出了一种单片光学微光刻工艺，该工艺通过连续紫外光触发的溶解度调制直接形成一组弹性电子材料的微图案。研究制作了通道长度为2微米的晶体管，密度为每平方厘米42,000个晶体管。制作了包含异或门和半加法器的弹性电路，两者都是算术逻辑单元的基本组件。该工艺为实现复杂、高密度、多层弹性电路的晶片级制造提供了一条途径，其性能可与刚性电路相媲美。 相关研究以“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”为题，发表在Science上。DOI: 10.1126/science.abh3551

图1 单片光刻高密度弹性电路

Nat. Electron.：应变不敏感的本征可拉伸的晶体管阵列

本质上可伸缩的电子设备可以与人体形成亲密的界面，创造出可以用来监测生理信号而不限制运动的设备。然而，机械应变总是会导致器件的电子性能下降。在这里，斯坦福大学鲍哲南与芝加哥大学王思泓教授等人合作展示了可以使用全弹性体应变工程方法创建应变不敏感的本质可拉伸晶体管阵列，其中带可调刚度的图案化弹性体层被纳入到晶体管结构中。通过改变弹性体的交联密度，增加局部刚度的区域被引入，减少了器件活跃区域的应变。这种方法可以很容易地融入到现有的制造工艺中，用它来制造器件密度为340个晶体管的阵列，当拉伸到100%应变时，其性能变化的应变不敏感性小于5%。研究还表明，它可以用于制造应变不敏感电路元件，包括NOR门，环形振荡器和高增益放大器，以稳定监测电生理信号。相关研究以“Strain-insensitive intrinsically stretchable transistors and circuits”为题目，发表在Nat. Electron.上。DOI: 10.1038/s41928-020-00525-1

图2 应变不敏感本征可拉伸晶体管阵列

Nat. Electron.：一种皮肤上的平台，用于无线监测汗液的流量、累积损失和汗液温度

监测出汗的流量、累积损失和温度可以为诊断热调节紊乱和热应激相关疾病提供有价值的生理学见解。然而，在高时间分辨率下获得这些参数的准确、连续估计仍然具有挑战性。在这里，美国西北大学John A. Rogers教授等人报告了一个可以无线实时测量出汗率、排汗量和皮肤温度的平台。该方法结合了一个短而直的流体通道，在汗液从皮肤流出时捕捉到一个基于热致动器和精密热敏电阻的流量传感器，该传感器与汗液在物理上隔离，但与汗液存在热耦合。该平台使用蓝牙低自动传输数据芯片上的能量系统。研究的方法还可以与先进的微流控系统和比色化学试剂集成，用于测量pH值和汗水中的氯化物、肌酐和葡萄糖的浓度。相关研究以“An on-skin platform for wireless monitoring of flow rate, cumulative loss and temperature of sweat in real time”为题目，发表在Nat. Electron.上。DOI: 10.1038/s41928-021-00556-2

图3 用于远程，皮肤上的汗率感应平台的设计和工作原理

Nat. Mater.：渗透性超弹性液态金属纤维毡实现生物相容性和整体可拉伸电子器件

可伸缩电子产品广泛应用于各种应用，如可穿戴电子产品、皮肤电子产品、软机器人技术和生物电子产品。传统的弹性薄膜制造的可伸缩电子设备缺乏透气性，不仅影响佩戴舒适性，长期佩戴会导致皮肤发炎，还限制了垂直方向设备集成的设计形式因素。在这里，香港理工大学郑子剑教授等人报告了一种可伸缩的导体，它是通过简单地涂敷或打印液态金属到一个静电纺丝弹性纤维垫子上制造的。将这种可拉伸导体称为液态金属纤维毡。液态金属悬挂在弹性纤维之间，自组织成横向网状垂直屈曲结构，同时提供了高渗透性、可拉伸性、导电性和电稳定性。此外，该液态金属纤维毡具有良好的生物相容性和对1800%应变的全向拉伸的智能适应性。研究演示了使用液态金属纤维毡作为构建块，以实现高渗透性，多功能单片可伸缩电子。相关研究以“Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics”为题目，发表在Nat. Mater.上。DOI: 10.1038/s41563-020-00902-3

图4 LMFM的超弹性机理

Nat. Biotechnol：完全植入式和生物可降解心脏起搏器，无需导线或电池

手术恢复期需要使用的临时心脏起搏器包括经皮导联和外化的硬件，有感染的风险，限制患者的活动能力，在取联过程中可能损害心脏。在这里，美国西北大学John A. Rogers、Rishi K. Arora和乔治华盛顿大学Igor R. Efimov等人报道了一种无铅、无电池、完全植入式心脏起搏器，用于术后心率和节律的控制，该起搏器在规定的操作时间内通过自然生物过程完全溶解和清除。我们的研究表明，这些设备提供了不同大小的小鼠、大鼠、兔子、犬和人类心脏模型的有效起搏，具有定制的几何形状和操作时间尺度，由无线能量传输提供动力。该方法克服了传统临时起搏装置的主要缺点，可能为下一代术后临时起搏技术奠定基础。相关研究以“Fully implantable and bioresorbable cardiac pacemakers without leads or batteries”为题目，发表在Nat. Biotechnol.上。DOI: 10.1038/s41587-021-00948-x

图5 生物可降解心脏起搏器在小鼠、兔心脏和人类心脏组织上的体外演示

Nat. Mater.：双相镓-铟用于高度可拉伸的多层电子电路

可伸缩的电子电路对于软体机器人、可穿戴技术和生物医学应用至关重要。开发复杂的可伸缩电路需要在大应变下具有稳定导电性的新材料，以及软与传统(刚性)电子元件之间的低电阻界面。为了满足这一需求，美国普渡大学Rebecca Kramer-Bottiglio等人引入了双相Ga-In，这是一种可印刷的导体，具有高导电性(2.06 × 10⁶ S m⁻¹)、极高的可拉伸性(> 10000%)、应变时电阻变化可忽略不计、循环稳定性(超过1500次循环的稳定性能)和可靠的接口和刚性电子器件。研究采用一种可伸缩的转移打印工艺来创建各种可伸缩的电路板组件，这些电路板组件在拉伸时保持其性能，包括多层发光二极管显示器、放大电路和用于可穿戴传感应用的信号调理板。双相Ga-In与可伸缩制造方法的兼容性、与现成电子元件的健壮接口和电气/机械循环稳定性，使已建立的电路板组件可以直接转换为柔软和可伸缩的形式。相关研究以“Highly stretchable multilayer electronic circuits using biphasic gallium-indium”为题目，发表在Nat. Mater.上。DOI: 10.1038/s41563-021-00921-8

图6 双相GaIn可伸缩的电路板组件

Sci. Adv.：贴合皮肤的无线传感器，可客观量化瘙痒症状

瘙痒是一种常见的临床症状和主要驱动疾病相关的发病率在各种医疗条件。一个尚未得到满足的重要需求是对瘙痒的客观、准确的测量。西北大学John A. Rogers教授等人创造性地提出了一种非侵入性技术，可以通过柔软、易弯曲且无线的传感器客观地量化抓挠行为。该ADAM（Advanced Acousto-Mechanic）传感器能够捕获具有临床级数据质量的生理过程的振动和运动信号，并能从手背捕获抓挠的声学、力学特征。通过从健康受试者收集的数据验证的机器学习算法表明，相对于基于智能手表的方法，其性能优越。在一组中重度特应性皮炎患儿中，临床验证包括46个共378.4小时的睡眠夜。数据表明其准确率为99.0%(敏感度84.3%，特异性99.3%)。这项工作表明了与应用相关的广泛能力，从评估导致瘙痒的药物疗效到监测疾病的严重程度和治疗反应。相关研究以“A skin-conformable wireless sensor to objectively quantify symptoms of pruritus”为题目，发表在Sci. Adv.上。DOI: 10.1126/sciadv.abf9405

图7 ADAM传感器和信号输出

Nat. Commun.：自供电超柔性光子皮肤通过稳定的聚合物发光二极管实现生物信号的连续检测

超柔性光学器件由于其与人体皮肤的良好契合性，在下一代可穿戴电子产品中得到了广泛的应用。长期健康监测还需要将超柔性光学设备与能量收集电源相结合;使设备自供电。然而，由于超柔性聚合物发光二极管的空气运行稳定性不足，使得超柔性光学传感器与电源的系统级集成具有挑战性。在这里，东京大学Takao Someya等人开发了一个超灵活的自供电有机光学系统，通过结合空气运行稳定的聚合物发光二极管，有机太阳能电池和有机光电探测器来监测光体积图。超柔性聚合物发光二极管采用倒置结构和掺杂聚乙烯亚胺乙氧基化层，在空气中运行11.3 h后仍保持70%的初始亮度。聚合物发光二极管的光强指数为0.98，线性度高。这种自供电、超柔性光体积描记传感器监测每分钟77次的血液脉搏信号。相关研究以“Self-powered ultraflexible photonic skin for continuous bio-signal detection via air-operation stable polymer light-emitting diodes”为题目，发表在Nat. Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-021-22558-6

图8 超灵活，自供电光体积描记传感器

AFM：无电池无线智能伤口敷料用于伤口感染监测和按需给药

通过智能伤口敷料实时监测伤口状态并提供及时治疗是治疗伤口感染和加速愈合进程的一种有前途的方法。为了建立闭环监测和治疗系统，浙江大学刘清君教授等人利用柔性电子技术开发了一种完全集成的、无电池的、无线的智能伤口敷料，用于伤口感染检测和按需给药。该创面敷料集成了近场通信模块，通过小型化电路和智能手机，实现无线电源采集和数据传输、现场信号处理和药物输送控制。该传感器可同时检测伤口的温度、pH值和尿酸，以评估伤口状况。同时，敷料中的给药电极通过电控抗生素给药提供感染治疗所需。通过体外抗菌实验和原位动物研究表明，该敷料能有效抑制细菌生长，加速伤口愈合，充分验证了其在伤口治疗中的有效性。利用近场通信和柔性电子的优势，传感和治疗的无电池集成设计为开发集监测、诊断和治疗为一体的闭环生物医学系统提供了一个很有前途的解决方案。相关研究以“Battery-Free and Wireless Smart Wound Dressing for Wound Infection Monitoring and Electrically Controlled On-Demand Drug Delivery”为题目，发表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202100852

图9 可拉伸电极阵列的设计与制备

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本文由Junas供稿。

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