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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(shè)備是由軟性、高分子基和混合電子材料制成的設(shè)備,與人體形成自然界面,因其在多模式生理監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)治療中的巨大潛力,成為了研究熱點(diǎn)。然而,傳統(tǒng)生物電子設(shè)備通常是剛性且不可伸展的,與柔軟且動(dòng)態(tài)的組織和器官存在機(jī)械不匹配,導(dǎo)致組織損傷、免疫反應(yīng)和慢性炎癥等問(wèn)題。此外,剛度的不匹配導(dǎo)致非貼合接觸、粘附性差和脫層,妨礙電、化學(xué)、機(jī)械和光信號(hào)在體內(nèi)外的有效傳輸。這些技術(shù)挑戰(zhàn)限制了生物電子設(shè)備的功能性能、穩(wěn)定性和可靠性。
成果簡(jiǎn)介
為了解決這些挑戰(zhàn),斯坦福大學(xué)(Stanford University)鮑哲南教授等在Nature Reviews Bioengineering期刊上發(fā)表了題為“Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems”的最新綜述。科學(xué)家們提出了使用軟性和可拉伸材料來(lái)開發(fā)生物電子設(shè)備的方法。通過(guò)分子設(shè)計(jì)和材料工程,研究人員開發(fā)了具有低彈性模量的功能性電子聚合物及其與金屬和無(wú)機(jī)納米材料的復(fù)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(guò)幾何圖案化薄層無(wú)機(jī)設(shè)備層為蛇形結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)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(dá)到了所需的柔性。
此外,研究人員還開發(fā)了集成獨(dú)立軟性生物電子系統(tǒng)的策略,從有線笨重儀器到定制印刷電路板(PCB)基混合系統(tǒng)、應(yīng)變工程軟集成電路和本質(zhì)軟系統(tǒng)。這些系統(tǒng)集成了無(wú)線通信、電源、測(cè)量電路、顯示器、互連和封裝層,顯著提高了設(shè)備的功能性能和應(yīng)用范圍。
鮑哲南院士,最新Nature Reviews Bioengineering!
研究亮點(diǎn)

1. 皮膚啟發(fā)的材料設(shè)計(jì):
    • 通過(guò)分子工程方法設(shè)計(jì)介電、導(dǎo)電和半導(dǎo)電聚合物,實(shí)現(xiàn)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(jī)械不匹配,從而降低組織損傷、免疫反應(yīng)和慢性炎癥的風(fēng)險(xiǎn)。

2. 生物電子設(shè)備的功能性改進(jìn):
    • 引入了功能性有機(jī)聚合物和復(fù)合材料,例如嵌入納米至微米級(jí)別無(wú)機(jī)材料的絕緣聚合物復(fù)合物,以實(shí)現(xiàn)低彈性模量和高伸展性。

    • 采用幾何圖案化的薄層設(shè)計(jì),如蛇形幾何結(jié)構(gòu),使得本質(zhì)上不可伸展的材料也能實(shí)現(xiàn)低彎曲剛度和高可伸展性,以適應(yīng)人體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和形態(tài)。

3. 應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)和治療的進(jìn)展:
    • 軟性生物電子設(shè)備已應(yīng)用于多模式生物標(biāo)志物的監(jiān)測(cè),涵蓋神經(jīng)、肌肉和生理活動(dòng)。

    • 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)皆贫耍瑸閭€(gè)性化的早期診斷和監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持,促進(jìn)了醫(yī)療健康管理的發(fā)展。

4. 集成系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用:
    • 討論了從傳統(tǒng)的有線笨重設(shè)備到柔性印刷電路板(PCB)基混合系統(tǒng)、應(yīng)變工程軟集成電路和本質(zhì)軟系統(tǒng)的演進(jìn)。

    • 集成了軟性或柔性電源、測(cè)量電路、無(wú)線通信、互連和封裝,為實(shí)現(xiàn)獨(dú)立操作的生物電子系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)和策略。

5. 未來(lái)發(fā)展方向:
    • 展望了生物電子學(xué)在醫(yī)療保健中的潛在貢獻(xiàn),特別是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)共享,推動(dòng)數(shù)字化醫(yī)療的發(fā)展。

    • 強(qiáng)調(diào)了軟性生物電子設(shè)備在仿生學(xué)和治療上的潛力,包括模擬皮膚觸覺(jué)、人工神經(jīng)系統(tǒng)和可降解植入設(shè)備的未來(lái)應(yīng)用前景。

圖文解讀

鮑哲南院士,最新Nature Reviews Bioengineering!
圖1:基于柔軟且可拉伸的有機(jī)電子材料和器件的全身健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
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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(shè)備中,無(wú)線通信和系統(tǒng)級(jí)集成策略。
結(jié)論展望

本文探討軟性皮膚類生物電子設(shè)備在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的前景和挑戰(zhàn)。首先,通過(guò)分子設(shè)計(jì)和材料工程策略,實(shí)現(xiàn)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(shè)備與人體組織的自然接口提供了新的可能性。其次,文章強(qiáng)調(diào)了在設(shè)備制造和系統(tǒng)集成方面的技術(shù)創(chuàng)新需求,包括高性能半導(dǎo)體的開發(fā)、工藝控制的優(yōu)化以及封裝材料的選擇。這些技術(shù)進(jìn)步不僅能提升設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性,還能促進(jìn)生物電子設(shè)備向?qū)嶋H臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。此外,文章還深入討論了在提升設(shè)備性能的同時(shí),如何平衡材料生物相容性和用戶舒適性的挑戰(zhàn)。
為了解決這些問(wèn)題,未來(lái)的研究需要集中精力開發(fā)既具有高電子功能性又對(duì)環(huán)境敏感性低的滲透性材料。綜上所述,通過(guò)綜合化學(xué)科學(xué)和工程學(xué)的交叉應(yīng)用,軟性皮膚類生物電子設(shè)備將為個(gè)性化醫(yī)療和實(shí)時(shí)生理監(jiān)測(cè)帶來(lái)顯著進(jìn)展,推動(dòng)醫(yī)療技術(shù)向更高水平的發(fā)展。
文獻(xiàn)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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