柔性電子之父，三院院士John A. Rogers教授近三年重要成果集錦

John A. Rogers教授是國(guó)際著名材料學(xué)家、物理學(xué)家及化學(xué)家，現(xiàn)為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、美國(guó)國(guó)家工程院、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院三院院士。John A. Rogers教授的主要研究方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)電子器件材料及制造。近十年來在仿生電子器件的設(shè)計(jì)與制造、可穿戴生物醫(yī)學(xué)電子器件等領(lǐng)域始終走在最前端，取得眾多研究成果，成為業(yè)界領(lǐng)軍人物。作為全球柔性電子技術(shù)研究的開創(chuàng)性領(lǐng)軍人物，John A. Rogers教授開創(chuàng)的柔性電子技術(shù)研究開啟了傳統(tǒng)硬質(zhì)無機(jī)電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)從”硬”到”柔”的跨越，對(duì)于推動(dòng)柔性電子技術(shù)成為融合數(shù)字、物理和生物世界的變革性力量，改變未來世界生活形態(tài)的可能性都具有非凡的意義。

因此，高分子科學(xué)前沿編輯部對(duì)John A. Rogers教授近三年的部分重大突破性工作進(jìn)行了匯集和總結(jié)，供大家學(xué)習(xí)和交流。

該總結(jié)主要圍繞以下三點(diǎn)來展開：

• 1. 可穿戴生物集成系統(tǒng)
• 2. 可植入生物集成系統(tǒng)
• 3. 先進(jìn)微型器件制造技術(shù)

注：本文僅選取了部分John A. Rogers教授作為(共同)通訊作者的論文，更多論文和研究成果可以前往JohnA. Rogers教授課題組主頁：http://rogersgroup.northwestern.edu/；同時(shí)，由于學(xué)術(shù)水平有限，所選文章及其表述如有不當(dāng)，敬請(qǐng)批評(píng)指正。

【一】可穿戴生物集成系統(tǒng)

1.Nature：首次將復(fù)雜的觸摸感融合到VR/AR中

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)技術(shù)是一種運(yùn)用多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、智能交互、傳感等多種手段將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)。VR/AR技術(shù)可以給人以全面和身臨其境的體驗(yàn)，這種體驗(yàn)包括交互式圖像、聲音和觸感，因此VR/AR技術(shù)不僅具有強(qiáng)大的豐富人們生活的娛樂功能，對(duì)于聽覺障礙、肢體殘疾者以及其他相關(guān)病人的臨床醫(yī)學(xué)、康復(fù)和恢復(fù)等領(lǐng)域也具有重要的用途。

觸感，是人體最重要感覺之一，它是我們與世界物理連接的基礎(chǔ)。這種物理連接主要依靠的是我們的機(jī)械感受器，它大量而廣泛地分布在人體皮膚和真皮層內(nèi)，依靠將施加在皮膚上的力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞到大腦來使我們產(chǎn)生觸感。但是，將觸感融合到VR/AR技術(shù)中仍是目前該領(lǐng)域的一個(gè)巨大難題，主要的困難來自于感覺受體檢測(cè)到的刺激被編碼成電信號(hào)，然后被解碼成計(jì)算機(jī)能夠感知和理解的信息過程很復(fù)雜。

針對(duì)這一問題，美國(guó)西北大學(xué)JohnA·Rogers院士研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合黃永剛院士研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種無線、無電池的觸覺制動(dòng)器，其中的電子系統(tǒng)平臺(tái)和觸覺界面能夠輕柔地層壓在皮膚的曲面上，以通過時(shí)空可編程的局部機(jī)械振動(dòng)模式來傳遞信息，從而實(shí)現(xiàn)了將復(fù)雜的觸摸感融合到VR/AR技術(shù)中。這種觸覺致動(dòng)器通過無線供電和控制，以及能壓層貼合任何類型皮膚，使其具有低耗能、適用性廣和安全便捷的特點(diǎn)，比如通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，觸覺致動(dòng)器的功率僅為1.75 mW，在指尖和手上產(chǎn)生明顯的感官響應(yīng)的同時(shí)無熱效應(yīng)產(chǎn)生。根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者預(yù)想這項(xiàng)研究在未來的社交媒體互動(dòng)、假肢反饋、視頻游戲、個(gè)性化康復(fù)、手術(shù)訓(xùn)練、教育反饋和多媒體娛樂等諸多領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：Yu, X. , Xie, Z. , Yu, Y. , Lee, J. ,& Rogers, J. A. . (2019). Skin-integrated wireless haptic interfaces for virtualand augmented reality. Nature, 575(7783), 473-479.

2. Science：為ICU早產(chǎn)兒保駕護(hù)航的可穿戴器件(一)

在美國(guó)，每年有超過48萬名危重兒童在ICUs接受治療，其中包括體重只有500克的早產(chǎn)兒，然而，新生兒和兒童重癥監(jiān)護(hù)室(分別為NICUs和PICUs)的標(biāo)準(zhǔn)臨床護(hù)理包括使用硬連線設(shè)備持續(xù)監(jiān)測(cè)生命體征，這些設(shè)備粘附在皮膚上，在某些情況下，還可能涉及插入動(dòng)脈的導(dǎo)管式壓力傳感器。這些系統(tǒng)可能導(dǎo)致醫(yī)源性皮膚損傷，使臨床護(hù)理復(fù)雜化，并阻礙父母和孩子之間的皮膚接觸。因此，一個(gè)能夠無創(chuàng)、連續(xù)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)生命體征的無線系統(tǒng)，很有可能極大地提高新生兒和兒童重癥監(jiān)護(hù)的安全性和有效性。

鑒于此，美國(guó)西北大學(xué)JohnA. Rogers院士、AmyS. Paller和ShuaiXu1教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)了一種無線、無電池的生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一對(duì)超薄、低模量的測(cè)量模塊構(gòu)成，每一個(gè)模塊均是表皮電子系統(tǒng)(EES)，它能夠輕柔地、無創(chuàng)性地連接到新生兒的皮膚上，對(duì)新生兒的生命體征進(jìn)行準(zhǔn)確、無傷地監(jiān)測(cè)。

該研究中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和技術(shù)不僅重現(xiàn)了目前侵入性有線系統(tǒng)所提供的全面的生命體征監(jiān)測(cè)能力，還增加了多點(diǎn)溫度傳感器和持續(xù)跟蹤血壓的能力。這些傳感器可以滿足NICU的需求，因?yàn)樗鼈兙哂泻芨叩臋C(jī)械順應(yīng)性、無創(chuàng)的皮膚粘附界面、優(yōu)異的耐水性以及與基本醫(yī)學(xué)成像和檢查的兼容性等諸多優(yōu)點(diǎn)。除了先進(jìn)的監(jiān)測(cè)能力，皮膚樣輪廓和全無線操作模式可以減少親子之間皮膚接觸的障礙，進(jìn)一步增強(qiáng)了其直接的治療價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：Chung, H. U. et al.Binodal, wirelessepidermal electronic systems with in-sensor analyticsfor neonatal intensivecare. Science 363, eaau0780 (2019)

3.Nature Medicine：為ICU早產(chǎn)兒保駕護(hù)航的可穿戴器件(二)

John A. Rogers院士及其合作者在2019年發(fā)表在Science[Science 363, 6430, eaau0780(2019)]上的一項(xiàng)研究描述了一種柔軟的，類似于皮膚的電子系統(tǒng)，旨在滿足早產(chǎn)兒ICU臨床健康狀況監(jiān)控和分析的需求。在這項(xiàng)研究中，作者在NICU中的評(píng)估研究中證實(shí)了該系統(tǒng)可以對(duì)心率，血液氧合，溫度，呼吸頻率和脈搏波速度進(jìn)行臨床準(zhǔn)確測(cè)量的能力。但是，作者在文中指出，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍然有以下缺點(diǎn)：

• (1)無線電源傳輸和數(shù)據(jù)通信的最大工作距離較短(~30 cm)；
• (2)存在機(jī)械脆弱性；
• (3)足夠，但測(cè)量能力范圍有限;
• (4)只能專門定制高級(jí)設(shè)備配置。

為了解決這一問題，使柔性穿戴系統(tǒng)可以更多和更廣泛地應(yīng)用在臨床上，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士、Jong Yoon Lee教授和芝加哥安&羅伯特·盧瑞兒童醫(yī)院Debra E.Weese-Mayer教授研究團(tuán)隊(duì)對(duì)之前的研究進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，克服上述缺點(diǎn)的同時(shí)賦予了新監(jiān)測(cè)系統(tǒng)新的能力。

比如，電池和無線功率采集方案的改進(jìn)，它不僅提供了與現(xiàn)有心率、呼吸率、溫度和血氧和臨床標(biāo)準(zhǔn)相等的測(cè)量，而且還提供了一系列重要的附加特征(如跟蹤運(yùn)動(dòng)和身體定位，量化皮膚對(duì)皮膚護(hù)理的生理益處，捕捉心臟活動(dòng)的聲學(xué)特征，記錄與哭泣的音調(diào)和時(shí)間特征相關(guān)的發(fā)聲生物標(biāo)記物)。

與之前的研究相比，使用了藍(lán)牙技術(shù)的新柔性傳感器系統(tǒng)可以將信號(hào)傳輸?shù)淖畲缶嚯x提升至10米，這大大提高了該系統(tǒng)和技術(shù)的實(shí)用性。同時(shí)，該系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是它具有監(jiān)測(cè)心率變異性的能力，這可用于在明顯的疾病跡象變得明顯之前預(yù)測(cè)嬰兒的臨床狀況變化。

最后，安全性實(shí)驗(yàn)表明這款改進(jìn)后的系統(tǒng)耐水性很好，而且由于功率極小，不會(huì)產(chǎn)生明顯的熱量對(duì)新生兒的皮膚造成不適或損傷，也不會(huì)對(duì)X射線等診斷成像研究造成干擾。但是，作者仍然在文章的最后提出了該系統(tǒng)還需進(jìn)一步優(yōu)化的地方，包括：

• (1)此傳感器獲得的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)傳感器獲得的測(cè)量值之間的絕對(duì)差雖然在可接受的范圍內(nèi)，但是某些參數(shù)的差異可能與血壓相對(duì)較低的極早產(chǎn)兒具有臨床相關(guān)性，因此有必要在實(shí)施之前進(jìn)行進(jìn)一步研究。
• (2)目前的測(cè)試僅限于生命參數(shù)相對(duì)正常的兒童，對(duì)于生命體征異常的兒童，還需要進(jìn)一步測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：Chung, H.U., et al.Skin-interfacedbiosensors for advanced wireless physiological monitoring inneonatal andpediatric intensive-care units. Nat Med 26, 418–429 (2020).

4.Nature Biomed Eng：放置在胸骨上的無線生物電子器件對(duì)生理過程進(jìn)行機(jī)械聲傳感檢測(cè)

人體的自然生理過程會(huì)產(chǎn)生大量的機(jī)械聲信號(hào)，其中許多信號(hào)在皮膚-空氣界面會(huì)強(qiáng)烈衰減。振幅和頻率范圍從微妙的振動(dòng)到全身運(yùn)動(dòng)學(xué)包含多樣和重要的生理健康信息，比如:聲襞振動(dòng)(約100Hz)、心臟活動(dòng)(約10Hz)、步態(tài)和運(yùn)動(dòng)(約1 Hz)和呼吸(約0.1Hz)。數(shù)字聽診器和慣性測(cè)量裝置是定量捕獲這些數(shù)據(jù)的臨床工具，但是，數(shù)字聽診器獲取信號(hào)通常限制在20~1900 Hz的頻率范圍內(nèi)，很多低頻率的生理活動(dòng)很難被有效的檢測(cè)到。而采用高帶寬三軸加速度計(jì)的皮膚安裝軟電子設(shè)備可以捕獲大量微弱的生理信息，包括潛在機(jī)械聲信號(hào)和核心身體運(yùn)動(dòng)的精確運(yùn)動(dòng)學(xué)。

基于這一前提，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士、黃永剛院士、ZhaoqianXie教授和Carle神經(jīng)科學(xué)研究院Charles R. Davies教授等研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)了一種無線生物電子器件，它可以被放置在人體胸骨上方的凹口處來連續(xù)測(cè)量生理活動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械聲信號(hào)，包括從皮膚在大約10-3 m s-2的加速度下的微弱振動(dòng)到整個(gè)身體的大運(yùn)動(dòng)在大約10 m s-2的振動(dòng)和高達(dá)800 Hz的頻率振動(dòng)。相比于之前的研究，這項(xiàng)研究中使用的無線生物電子器件以及檢測(cè)系統(tǒng)具有以下5個(gè)特點(diǎn):

• (1)無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化了舒適的皮膚界面和高精度、高帶寬MA測(cè)量，使用小型可充電電池供電;
• (2)使用胸骨上切跡(SN)作為一個(gè)獨(dú)特的解剖安裝位置，提供了豐富的混合MA信息，涉及不同類別的生理過程和核心-身體運(yùn)動(dòng);
• (3)發(fā)展數(shù)據(jù)分析技術(shù)，從得到的多模態(tài)數(shù)據(jù)中提取定量的生理洞察力;
• (4)在日常活動(dòng)和體育鍛煉中連續(xù)或半連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)，結(jié)合演示裝置獨(dú)特的力學(xué)性能、獨(dú)特的安裝位置和先進(jìn)的分析方法;
• (5)通過與金標(biāo)準(zhǔn)多導(dǎo)睡眠描畫系統(tǒng)的記錄進(jìn)行定量比較，在睡眠實(shí)驗(yàn)室獲得的結(jié)果進(jìn)行臨床驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：Lee K H , Ni X , Lee J Y , et al.Mechano-acoustic sensing of physiological processes and body motions via a softwireless device placed at the suprasternal notch. Nature BiomedicalEngineering, 2020, 4(6).

5.Nature Biomed Eng：用于假肢控制和認(rèn)知監(jiān)測(cè)的大面積核磁共振兼容表皮電子接口

柔性可伸縮電子技術(shù)制備了各種各樣的薄的皮膚界面醫(yī)療設(shè)備，這些類皮膚表皮系統(tǒng)提供了與生理健康和心理活動(dòng)相關(guān)的生物物理和生化參數(shù)的連續(xù)測(cè)量能力，這對(duì)于疾病診斷、生理健康監(jiān)測(cè)以及與假肢、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和可穿戴機(jī)器人設(shè)備建立控制界面至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的可穿戴設(shè)備相比，類皮膚表皮系統(tǒng)中材料與皮膚以一種機(jī)械和熱無痕的方式相結(jié)合，使其具有超薄、低模量、輕便、可伸縮和可呼吸的結(jié)構(gòu)，因而這種系統(tǒng)可以與皮膚建立了強(qiáng)健、親密的電子接口，而不會(huì)引起刺激或不適。然而，目前的方案將這些設(shè)備的總體尺寸限制在幾平方厘米以內(nèi)，因此空間繪圖能力只能擴(kuò)展到很小的區(qū)域，不能夠滿足實(shí)際的需求。

鑒于此，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士、伊利諾斯大學(xué)厄巴納-香檳分校Paul V. Braun、清華大學(xué)Yihui Zhang等人研究團(tuán)隊(duì)從材料、裝置結(jié)構(gòu)、操作和安裝以及制造方法等多方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，制備得到了比以往研究大幾個(gè)數(shù)量級(jí)的表皮電子界面，組裝后的電生理學(xué)記錄裝置能覆蓋整個(gè)頭皮區(qū)域和整周小臂，具有在大范圍皮膚區(qū)域收集生理信息的重要能力。該裝置中開放網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)內(nèi)的絲狀傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以使無線電誘導(dǎo)的渦旋電流最小化，因此加強(qiáng)了與磁共振成像(MRI)的兼容性。例如，大面積肌電圖設(shè)備與截肢者殘肢相連，通過定向肌肉再生，可以精確控制復(fù)雜的多功能假體和頭皮腦電圖系統(tǒng)，在連續(xù)磨損的幾天內(nèi)穩(wěn)定、高保真地運(yùn)行。隨后，作者將大面積表皮電子界面用于病人肱骨假肢的多功能控制，這些病人可以在長(zhǎng)時(shí)間的腦電掃描以及同步腦電掃描-結(jié)構(gòu)/功能性磁共振成像中進(jìn)行目標(biāo)肌肉神經(jīng)分布重建手術(shù)，極大地體現(xiàn)出了該裝置的實(shí)用價(jià)值。在最后作者提出，這些技術(shù)的改良版本也可能允許應(yīng)用于內(nèi)臟器官，包括大腦或心臟大面積區(qū)域的電生理學(xué)測(cè)繪。

參考文獻(xiàn)：Tian, L., Zimmerman, B., Akhtar, A. et al.Large-area MRI-compatibleepidermal electronic interfaces for prosthetic controland cognitivemonitoring. Nat Biomed Eng 3, 194–205 (2019)

6.Nature Communications：監(jiān)測(cè)流汗與給出補(bǔ)水建議的智能柔性可穿戴集成系統(tǒng)

最近推出的可以安裝在皮膚上的薄而軟微流體系統(tǒng)具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)和生理監(jiān)測(cè)功能，比如可以連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)人體總汗液損失、汗液率以及對(duì)汗液物進(jìn)行標(biāo)記和分類。雖然該體系能在沒有有源組件或電源的情況下工作，從而避免了額外的成本、制造復(fù)雜度、裝置的體積和重量等，但人體補(bǔ)水之后可能會(huì)導(dǎo)致之前的測(cè)量結(jié)果不再適用，且異常生理活動(dòng)的監(jiān)測(cè)需要用戶主動(dòng)觀測(cè)比色結(jié)果。

基于此，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士研究團(tuán)隊(duì)通過以下三點(diǎn)措施來解決這些缺點(diǎn)：

• (1).夾閥門和抽吸泵組成epi流控汗液裝置,它可以手動(dòng)清除收集的汗液來進(jìn)行可復(fù)位操作；
• (2).可逆視覺指示器向用戶顯示局部汗液流失信息；
• (3).冒泡性泵片和化學(xué)刺激物質(zhì)用于自動(dòng)傳遞汗液過度流失的信號(hào)(在總汗液流失的某些閾值提供感覺反饋)。

人體試驗(yàn)表明，這類系統(tǒng)能通過汗液觸發(fā)薄荷腦和辣椒素排出從而使人體皮膚產(chǎn)生感覺，提醒用戶防止脫水。這項(xiàng)研究建立了一套軟微流體元件和系統(tǒng)，用于汗液采集、收集和電解質(zhì)分析，并具有自動(dòng)反饋給用戶的能力，并且整個(gè)過程均不需要電子或有源元件。

采用標(biāo)準(zhǔn)的微加工工作流程制造人工操作的單片集成微流控系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)低成本、人工驅(qū)動(dòng)的芯片和皮膚實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。同時(shí)，研究結(jié)果表明epi流控系統(tǒng)的能力可以進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)展，使用戶將系統(tǒng)中的汗液排出來，再重新啟動(dòng)系統(tǒng)，并使汗液觸發(fā)化學(xué)感受器釋放出可能脫水的感覺警報(bào)，而所有這些都以一種最簡(jiǎn)單和最廉價(jià)的被動(dòng)方式來表達(dá)出來。

參考文獻(xiàn)：Reeder J T , Xue Y , Franklin D , etal. Resettable skin interfaced microfluidic sweat collection devices withchemesthetic hydration feedback. Nature Communications, 2019, 10(1).

7.Science Advances：對(duì)汗液同時(shí)進(jìn)行電化學(xué)、比色和容量分析的微流體/電子系統(tǒng)

薄而柔軟的可穿戴傳感器與人體密切整合后可以提供獨(dú)特的生理監(jiān)測(cè)功能。隨著材料與電子技術(shù)的進(jìn)步，建立柔性為基礎(chǔ)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的靈活可穿戴傳感器越來越變得可能。比如人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，體內(nèi)會(huì)進(jìn)行劇烈的代謝活動(dòng)，會(huì)從皮膚中產(chǎn)生大量的汗液，這些汗液中包含大量的電解質(zhì)、代謝物和小分子。對(duì)這些物質(zhì)的成分和含量進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，可以對(duì)人的一系列生理和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，比如氧飽和度、生物電位、表面壓力、溫度、血流和水化等等。目前可穿戴汗液傳感器的核心是用于電化學(xué)檢測(cè)的電子器件或用于視覺讀出的比色分析裝置。但是前者的缺點(diǎn)主要是形狀因子不理想，后者的缺點(diǎn)在于只能進(jìn)行半定量分析，適用的生物標(biāo)記物也不多。

基于此，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士團(tuán)隊(duì)借鑒生物燃料電池的理念，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合了生物燃料電池傳感器、比色分析法、NFC電子技術(shù)和軟微流體技術(shù)的無源無線式電子傳感系統(tǒng)，可以同時(shí)和高效地檢測(cè)人體汗液中乳酸、葡萄糖、氯離子、pH值和汗液率/損失。

采用改進(jìn)的子設(shè)計(jì)、集成方法和材料制備的這種微流體/電子系統(tǒng)具有輕質(zhì)、小型化、柔軟、無電池等特性，與之前報(bào)道的具有類似性能的可穿戴傳感器相比，該研究中的可穿戴化學(xué)傳感裝置更輕、更小、更便宜。

人體受試者研究表明，該傳感器可以牢固地附著在柔軟的、彎曲的皮膚表面，而不會(huì)在體育鍛煉中失效，從而提供與汗液流失和汗液化學(xué)有關(guān)的連續(xù)、多模式信息，這兩種信息都可用于評(píng)估生理健康、性能和疲勞。

該研究所述的微流體/電子系統(tǒng)不僅可以根據(jù)汗液來獲得大量關(guān)于人體生理的信息，同時(shí)，作者表示研究中涉及到的電子學(xué)、微流體學(xué)、集成方案對(duì)于跟蹤腎病患者、篩查囊性纖維化、監(jiān)測(cè)藥代動(dòng)力學(xué)、測(cè)量壓力缺血和應(yīng)激標(biāo)記的新器件和方法也有重要的影響和啟發(fā)，這將是未來一個(gè)很有前景的跨學(xué)科研究方向。

參考文獻(xiàn)：Bandodkar A J , Gutruf P , Choi J , etal. Battery-free, skin-interfaced microfluidic/electronic systems forsimultaneous electrochemical, colorimetric, and volumetric analysis of sweat.Science Advances, 2019, 5(1).

8.Science Advances：依靠熱電供能的可穿戴柔性設(shè)備

將兩種金屬或半導(dǎo)體的兩端緊密接觸形成回路，若此時(shí)兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度不同，則會(huì)在回路中產(chǎn)生電流。溫差越大，則產(chǎn)生的電流越大。其中，以半導(dǎo)體相聯(lián)制成的回路能產(chǎn)生較大的電動(dòng)勢(shì)，可以用作熱電發(fā)電器。隨著半導(dǎo)體器件小型化趨勢(shì)的加快，能量收集技術(shù)變得越來越重要，特別是在可穿戴技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)傳感器方面。盡管熱電系統(tǒng)在這方面有許多吸引人的特性，但隨著特性尺寸的減小，在設(shè)備終端之間保持較大的溫差并實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的低熱阻抗接口變得越來越難實(shí)現(xiàn)。

基于此，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士、黃永剛院士和G.Jefferey Snyder教授課題組合作，在傳統(tǒng)半導(dǎo)體加工工藝，首次提出了利用非線性屈曲力學(xué)組裝來實(shí)現(xiàn)的一種三維微型熱電發(fā)電器。該策略首先在二維平面狀態(tài)下，通過光刻、轉(zhuǎn)印等技術(shù)將摻雜的單晶硅薄膜和金屬電極布置在預(yù)設(shè)形狀的聚合物保護(hù)層內(nèi)，然后通過硅膠基底的受控壓縮屈曲形成三維結(jié)構(gòu)。這種方法不僅能實(shí)現(xiàn)有效的熱阻抗匹配，而且還能成倍地增加通過收割機(jī)的熱流，從而提高功率轉(zhuǎn)換的效率。

用該策略制成的三維微型熱電“彈簧”特征尺寸僅為8微米，但通過三維變形，不僅將熱傳遞方向的距離（即基底到彈簧頂部的高度差）提高到毫米級(jí)別，更使其擁有著比二維平面設(shè)計(jì)更為出色的力學(xué)柔性與拉伸性——實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，該彈簧結(jié)構(gòu)在超過200次面內(nèi)循環(huán)拉伸（拉伸至原長(zhǎng)160%）后仍然不會(huì)損壞，而且可以承受高達(dá)30%的面外壓縮應(yīng)變。

這項(xiàng)新技術(shù)基于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝，因此這些熱電彈簧可以在不增加制備步驟的情況下輕松地被復(fù)制、擴(kuò)展成為大規(guī)模陣列。研究中8×8的熱電彈簧陣列可以很穩(wěn)定地貼在人體表面上，在19℃的溫差下，器件的最大輸出功率約為2nW，開路電壓達(dá)到51.3mV，溫降達(dá)到6.2℃。如果將單晶硅換成其他更優(yōu)秀的熱電薄膜材料，這些性能可以被進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)：Kewang N, S, Dongmin K, Kan L. et al.Compliant and stretchable thermoelectric coils for energy harvesting inminiature flexible devices. Science Advances, 2018.

9.Science Advances：用于汗液收集、成分分析、溫度記錄的防水柔性傳感器

通過分析人體運(yùn)動(dòng)活動(dòng)/過程中產(chǎn)生的汗液的信息，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理狀態(tài)的無創(chuàng)式原位監(jiān)測(cè)，然后就可以開發(fā)出新的健康診斷形式和個(gè)性化的補(bǔ)水策略。隨著材料科學(xué)和微電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)合了這兩個(gè)技術(shù)的汗液收集、分析柔性傳感器具有強(qiáng)大的功能，比如對(duì)汗液的成分進(jìn)行收集，然后給出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)水配方。但目前報(bào)道的柔性傳感器在極端環(huán)境下并不適用，比如在液體水環(huán)境中還存在以下三個(gè)難題：

• (1). 無法消除周圍水的污染和干擾；
• (2). 在粘滯力或劇烈運(yùn)動(dòng)下不能保持穩(wěn)定的粘附；
• (3). 會(huì)阻止所收集汗液的蒸發(fā)過程。

針對(duì)這三個(gè)應(yīng)用難題，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士團(tuán)隊(duì)從材料和設(shè)計(jì)出發(fā)，研發(fā)了一種粘附于皮膚，具有收集、儲(chǔ)存和分析汗液功能，即使在水下環(huán)境也能正常工作的防水表皮微流控電子系統(tǒng)傳感器。這項(xiàng)研究涉及到的具體技術(shù)包括：

• (i)用于皮膚和微流控平臺(tái)兼容的可塑彈性聚合物材料[苯乙烯嵌段共聚物(SIS)]，該彈性體對(duì)水、水蒸氣和周圍水媒化學(xué)物質(zhì)的滲透率極低;
• (ii)防止水生環(huán)境的干擾或污染而不妨礙汗液流入的微流體通道、入口和出口的設(shè)計(jì);
• (iii)將與水撞擊和皮膚運(yùn)動(dòng)有關(guān)的剪應(yīng)力減至最低的超薄保形裝置的成型技術(shù);
• (iv)可在水下牢固粘接和可靠收集汗液的皮膚粘附材料和幾何設(shè)計(jì);
• (v)集成防水柔性/可拉伸電子設(shè)備的方法，該電子設(shè)備可以與人體表皮組織進(jìn)行聯(lián)結(jié)，以獲得額外的、互補(bǔ)的傳感模式。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)超薄的邊緣幾何形狀以及使用強(qiáng)度高、皮膚友好的粘合劑，即使在極端的水下作業(yè)時(shí)間超過2小時(shí)以上，該傳感器也能與皮膚牢固防水地粘合，同時(shí)保持穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)性能。這些結(jié)果突出了微流控平臺(tái)對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)員和旱地運(yùn)動(dòng)員在實(shí)時(shí)生理測(cè)量方面的先進(jìn)能力，同時(shí)這些原理和裝置設(shè)計(jì)將對(duì)這些和其他極端環(huán)境中表皮汗液收集和分析系統(tǒng)有重要作用。

參考文獻(xiàn)：Reeder, Jonathan T., et al. “Waterproof,electronics-enabled,epidermal microfluidic devices for sweat collection,biomarker analysis, andthermography in aquatic settings.” Science advances5.1 (2019): eaau6356.

10.Science Advances：可監(jiān)測(cè)人體輻射的可穿戴柔性傳感器

來自太陽、室內(nèi)燈、發(fā)射顯示器和其他人工光源的電磁輻射(EMR)對(duì)生物的生命過程具有波長(zhǎng)特異性和劑量依賴性的影響，而這些影響決定了生物的健康狀況。如果人過度的暴露于EMR環(huán)境中，可能會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的疾病問題。比如過度暴露于紫外線輻射、太陽藍(lán)光、或手機(jī)等電子產(chǎn)品發(fā)射源的輻射，會(huì)增大患皮膚癌的風(fēng)險(xiǎn)。而較短的波長(zhǎng)光有助于皮膚上活性氧的生成，這會(huì)導(dǎo)致DNA損傷，引起炎癥和色素沉著過度，同時(shí)也會(huì)引起強(qiáng)化膠原蛋白和彈性蛋白的降解,從而導(dǎo)致衰老和皮膚起皺。因此，對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钪車椛淝闆r的實(shí)習(xí)監(jiān)控來進(jìn)行調(diào)整對(duì)于提高生命質(zhì)量是十分必要和有意義的。

為了對(duì)人體周圍的室內(nèi)照明、顯示系統(tǒng)的短波藍(lán)光以及來自太陽的紫外/可見/紅外輻射進(jìn)行準(zhǔn)確而高效的監(jiān)控，美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種毫米級(jí)、超低功率數(shù)字劑量計(jì)平臺(tái)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算人體受到的輻照情況。為了制造該平臺(tái)，作者使用了先進(jìn)的光自適應(yīng)電子控制電路、用于劑量測(cè)量的累積檢測(cè)模塊(ADM)和用于無線通信的藍(lán)牙低能量芯片(SoC)系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)。該平臺(tái)在一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的自主模式下同時(shí)提供連續(xù)EMR劑量的測(cè)量，并可通過無線遠(yuǎn)程通信與標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)設(shè)備進(jìn)行時(shí)間管理。

由于該系統(tǒng)的功率很低，這些高度精確的、毫米級(jí)的器件可以長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)，經(jīng)過計(jì)算，單個(gè)小型紐扣電池可以為系統(tǒng)連續(xù)續(xù)航1~2年。同時(shí)，該系統(tǒng)/器件由于沒有接口端口和機(jī)械開關(guān)，而且不需要更換電池，因此可以對(duì)防水、防汗和耐磨損的設(shè)備進(jìn)行密封。最后，作者表明如果該系統(tǒng)可以得到大規(guī)模的應(yīng)用，那么將大大有助于降低皮膚癌、情緒障礙、眼部損傷和其他與EMR暴露有關(guān)的疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：KwonK,Heo SY, Yoo I, Banks A, Chan M,Lee JY, et al. Miniaturized,light-adaptive,wireless dosimeters autonomouslymonitor exposure toelectromagnetic radiation.Science Advances.2019;5(12):eaay2462.

11.Science Translational Medicine：柔性可以穿戴設(shè)備監(jiān)控電磁輻射助力光治療

電磁輻射是一把雙刃劍，它對(duì)人類健康具有深遠(yuǎn)影響。一方面，過多或過強(qiáng)的電磁輻射會(huì)損害人體健康，比如太陽的紫外線會(huì)導(dǎo)致皮膚癌，藍(lán)光影響人體褪黑激素的晝夜節(jié)律。另一方面，可控量的電磁輻射具有良好的用途。比如紫外線可以治療各種皮膚炎癥，而藍(lán)光可以治療新生兒黃疸。雖然在這些情況下對(duì)暴露量的定量測(cè)量很重要，但由于在體積、重量、成本和準(zhǔn)確性方面的一系列不利因素，目前的電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室之外的適用性并不理想。

針對(duì)這一應(yīng)用難題，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士聯(lián)合Shuai Xu教授研究團(tuán)隊(duì)采用光學(xué)計(jì)量方法、光電子設(shè)計(jì)和無線操作模式的方法，開發(fā)了一種柔性、微型化、低成本、無需供電、可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)人體電磁輻射的放射量測(cè)定器。該測(cè)定器內(nèi)部含有具有近場(chǎng)通信功能的芯片系統(tǒng)、射頻天線、光電二極管、超級(jí)電容器和晶體管，然后利用連續(xù)積累機(jī)制對(duì)電磁輻射進(jìn)行測(cè)量。作者在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中將設(shè)備安裝在人體參與者身上，在戶外活動(dòng)(包括水生環(huán)境)、治療性光療單元以及在新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房進(jìn)行藍(lán)光光療，演示了UVA、UVB、可見光和紅外輻射累積和瞬時(shí)監(jiān)測(cè)。

這項(xiàng)技術(shù)的意義不僅是可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消費(fèi)者健康和臨床醫(yī)學(xué)中的紫外線劑量，同時(shí)這個(gè)系統(tǒng)的劑量測(cè)定法修改版本可以調(diào)節(jié)瞬時(shí)和累計(jì)傳感模式，包括連續(xù)無線設(shè)備的審訊、照明與視覺和操作指標(biāo)。不僅如此，在對(duì)新生兒進(jìn)行藍(lán)光光療的情況下，這一功能可以優(yōu)化NICU和門診治療高膽紅素血癥的方案(NICU停留日平均費(fèi)用為1170$)，降低光治療成本或者提高NICU光輻照的經(jīng)濟(jì)效益。除了醫(yī)療、化妝品和生活方式方面的應(yīng)用，劑量測(cè)定法在焊工、鋼鐵工人和其他暴露于有害紫外線、可見光和/或紅外輻射的人的職業(yè)健康監(jiān)測(cè)中也很重要。

參考文獻(xiàn)：Seung Y H, Jeonghyun K et al. Wireless,battery-free, flexible, miniaturized dosimeters monitor exposure to solarradiation and to light for phototherapy. Science Translational Medicine, 2018.

12.Science Translational Medicine：用于腦積水患者腦部健康狀態(tài)評(píng)估的表皮電子技術(shù)

腦積水是一種常見且治療價(jià)格較昂貴的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，它主要是由腦脊液(CSF)生產(chǎn)過剩和/或受損的再吸收引起的。目前的腦室導(dǎo)流管法是一種常見用于治療腦積水的方法，但是治療時(shí)成功率并不是很高，同時(shí)還可能導(dǎo)致一系列并發(fā)癥，比如頭痛，頭暈，和惡心。目前常用如計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、放射性核素分流通暢研究(RSPSs)和冰袋介導(dǎo)的熱溶解法來作為腦室導(dǎo)流管法失效的診斷工具，但是均存在成本高、準(zhǔn)確性差、不便和安全隱患等缺點(diǎn)。

鑒于此，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士聯(lián)合Matthew Potts教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)并測(cè)試了一種柔性無創(chuàng)、可皮膚安裝的可穿戴測(cè)量平臺(tái)，該平臺(tái)包含熱傳感器陣列和致動(dòng)器，用于對(duì)皮下分流的血流進(jìn)行精確的、連續(xù)的或間歇性的測(cè)量，從而提供了一種低成本、舒適的方法來定量評(píng)估通過腦脊髓分流的連續(xù)或間歇血流。

在研究過程中，作者對(duì)材料、力學(xué)和制造方案進(jìn)行了系統(tǒng)的考量，制備的柔性傳感器厚度僅為100um，模量~70kPa，密度＜10 mg cm^-2，在物理性能上類似皮膚，其彎曲剛度比傳統(tǒng)的剛性傳感器低9個(gè)數(shù)量級(jí)。作者將該傳感器在5名病因不同的成人分流受者身上進(jìn)行了試驗(yàn)，并且將其結(jié)果與CT、MRI和RSPSs的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該傳感器在體內(nèi)的功能，以及用于定量測(cè)定流速的先進(jìn)處理算法。除了對(duì)血流進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，此類表皮電子設(shè)備還支持捕獲人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、電生理信號(hào)、軟組織機(jī)械特性和汗液中的化學(xué)標(biāo)記等信息。

參考文獻(xiàn)：S.R. Krishnan, T.R. Ray, J.A. Rogers,et al. “Epidermal Electronics for Noninvasive, Wireless, QuantitativeAssessment of Ventricular Shunt Function in Patients with Hydrocephalus,”Science Translational Medicine 10, eaat8437 (2018).

13.Science Translational Medicine：用于汗液捕獲、存儲(chǔ)和比色感應(yīng)的柔性可穿戴傳感器

通過對(duì)汗液進(jìn)行捕獲和定量化學(xué)分析而啟用的健康監(jiān)測(cè)能力可以補(bǔ)充或可能消除基于零星血樣評(píng)估的方法的需要?，F(xiàn)有大部分的汗液監(jiān)測(cè)技術(shù)和器件基于簡(jiǎn)單的織物樣本，這只能在受控實(shí)驗(yàn)室或醫(yī)院環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試和分析。為了使汗液收集和分析變得更加精準(zhǔn)和方便，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制備了一種薄而軟、封閉的微流體系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以直接和可靠地從皮膚表面的毛孔中獲取人體運(yùn)動(dòng)后產(chǎn)生的汗液，并對(duì)其進(jìn)行儲(chǔ)存和分析——這些設(shè)備通過使用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋壬珯z測(cè)來測(cè)量總汗液流失、pH值、乳酸、氯化物和葡萄糖濃度。

這項(xiàng)研究的微流體技術(shù)主要建立在最近課題組的表皮電子、光子和光電子系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，額外增加了流體處理和捕獲、以及生化分析能力。該微流體系統(tǒng)裝置可以安裝在身體的多個(gè)位置，使用生物相容的粘合劑和軟裝置力學(xué)包覆使其對(duì)人體皮膚沒有化學(xué)或物理刺激，同時(shí)還有較強(qiáng)的拉伸性能和防水性。為了在實(shí)際條件下評(píng)估該裝置的實(shí)用性，作者進(jìn)行了兩項(xiàng)試驗(yàn):一項(xiàng)在室內(nèi)進(jìn)行的可控微汗誘發(fā)研究，另一項(xiàng)在長(zhǎng)距離自行車比賽中進(jìn)行的真實(shí)世界的戶外使用研究。

參考文獻(xiàn)：Han S , Kim J , Won S M , et al. Battery-free,wireless sensors for full-body pressure and temperature mapping. ScienceTranslational Medicine, 2018, 10(435):eaan4950.

【二】可植入生物集成系統(tǒng)

1.Nature：用于光遺傳學(xué)調(diào)節(jié)末梢神經(jīng)的無線閉環(huán)系統(tǒng)

生物電子醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最終目的是設(shè)計(jì)出通過刺激末梢神經(jīng)系統(tǒng)來緩解臨床癥狀的器件和裝置系統(tǒng)，而這類技術(shù)很大程度上依賴于電流刺激來提供器官功能/疼痛的神經(jīng)調(diào)節(jié)。一個(gè)典型的例子是用于治療膀胱過動(dòng)癥、尿失禁以及間質(zhì)性膀胱炎（也稱膀胱疼痛綜合征）的骶神經(jīng)電刺激法。傳統(tǒng)的連續(xù)刺激方法可能導(dǎo)致不適感和疼痛感，特別是治療間歇性癥狀時(shí)（比如突發(fā)性尿急）。將電極直接物理連接到神經(jīng)上可能會(huì)導(dǎo)致患者受傷和產(chǎn)生炎癥，此外，典型的電刺激方法在實(shí)施時(shí)會(huì)瞄準(zhǔn)較大的神經(jīng)束，而神經(jīng)束由多重結(jié)構(gòu)組成，因此這些刺激不具有器官特異性。

針對(duì)這一問題，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華盛頓大學(xué)圣路易斯分校RobertW. Gereau IV教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)設(shè)計(jì)了一種微型生物光電植入裝置，該裝置通過以下手段來解決上述問題：

• (1). 利用微米尺度無機(jī)發(fā)光二極管來刺激視蛋白的光刺激界面；
• (2). 建立允許連續(xù)測(cè)量器官功能的柔性高精度生物物理傳感器系統(tǒng)；
• (3). 開發(fā)能使系統(tǒng)協(xié)調(diào)閉環(huán)運(yùn)行，實(shí)時(shí)消除病理行為的控制模組和數(shù)據(jù)分析方法。

在本文所報(bào)道的例子中，柔性應(yīng)變儀可對(duì)小鼠膀胱功能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)算法可以識(shí)別出病理行為，自動(dòng)化閉環(huán)光遺傳學(xué)可對(duì)膀胱感覺傳入進(jìn)行神經(jīng)調(diào)節(jié)，使膀胱功能正?；?。這種全光神經(jīng)調(diào)節(jié)方案提供了長(zhǎng)期穩(wěn)定性和刺激特定類型細(xì)胞的潛力。

該研究結(jié)果證明了這種裝置和方法在監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)膀胱功能方面的效用，但其核心思想和支持的技術(shù)平臺(tái)可以很容易地進(jìn)行調(diào)整，以解決與膀胱相關(guān)的一系列應(yīng)用問題。例如,光電刺激和傳感模塊可以修改集成多個(gè)生物物理(溫度、流量、壓力,等等)和/或生化(代謝產(chǎn)物、蛋白質(zhì)、激素等)傳感器，可以和各種類型的驅(qū)動(dòng)器(如光、電、藥理)進(jìn)行搭配來提供所需的調(diào)制。因此，從這個(gè)意義上來說，該研究開發(fā)的技術(shù)系統(tǒng)在生理學(xué)、病理學(xué)、臨床前和臨床研究中具有廣泛的用途。

參考文獻(xiàn)：Mickle, A.D., Won, S.M., Noh, K.N. etal. A wireless closed-loop systemfor optogenetic peripheral neuromodulation.Nature 565, 361–365 (2019).

2.Cell(綜述)：新興的可植入神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)

用于神經(jīng)調(diào)節(jié)和/或神經(jīng)修復(fù)的可植入式裝置現(xiàn)在得到越來越多的重視和研究，經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前該領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多的突破性成果，并作為患者群體和相應(yīng)的一系列健康狀況條件下的高效治療手段得到了一定的應(yīng)用。這些成果一是來自于我們對(duì)神經(jīng)控制器官功能機(jī)制的理解提高了，二是可編程方式精確調(diào)節(jié)這些功能技術(shù)的進(jìn)步。然而，目前大部分還是應(yīng)用于動(dòng)物模型，在未來，不同的神經(jīng)調(diào)節(jié)模式將超越那些由少量電極采集的簡(jiǎn)單電刺激所支持的模式，從而提供更多的功能、擴(kuò)展的應(yīng)用、改進(jìn)的效用和減少的侵襲性。

針對(duì)這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、待解決的問題以及未來的發(fā)展方向，美國(guó)西北大學(xué)JohnA. Rogers院士團(tuán)隊(duì)在《Cell》上發(fā)表了關(guān)于可植入神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)的最新進(jìn)展綜述文章。在綜述中，作者強(qiáng)調(diào)了神經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在基礎(chǔ)研究和細(xì)胞培養(yǎng)、類器官和動(dòng)物模型水平的學(xué)術(shù)研究中都有直接的用途。盡管許多潛在的概念是非常有吸引力的，但是在臨床應(yīng)用實(shí)現(xiàn)這些全部的潛能仍然有很大的挑戰(zhàn)。在文中，作者提出了三個(gè)主要的挑戰(zhàn)：

• (1)先進(jìn)的形式記錄/刺激和監(jiān)控/治療神經(jīng)系統(tǒng)疾??；
• (2)高時(shí)空分辨率和可伸縮性(成千上萬的活躍渠道)高保真操作；
• (3)在材料、表面化學(xué)、力學(xué)和幾何方面具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的生物相容性，并為特定用途量身定做。

參考文獻(xiàn)：S.M. Won, E. Song, J. Reeder and J.A.Rogers, “Emerging Modalities and Implantable Devices forNeuromodulation,” Cell 181, 115-135 (2020).

3. Nature Materials(綜述)：用于慢性神經(jīng)界面的柔性生物電子材料

可以用作長(zhǎng)期穩(wěn)定，高性能的電子記錄和刺激接口的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)其他部分的工程系統(tǒng)，具有跨宏觀區(qū)域的細(xì)胞水平分辨率，是神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)界廣泛關(guān)注的問題。用于這些目的的生物相容性材料的開發(fā)和柔性植入物的設(shè)計(jì)仍然面臨挑戰(zhàn)，比如材料或系統(tǒng)的最終目標(biāo)是達(dá)到接近常規(guī)基于晶圓技術(shù)的系統(tǒng)性能以及能夠達(dá)到人類壽命的工作時(shí)間。

美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers院士、EnmingSong等人在《Nature Materials》上發(fā)表了關(guān)于用于慢性神經(jīng)界面的柔性生物電子材料的綜述。在這篇綜述文章中，作者主要梳理了這一研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了在生物相容性、電子功能、生物體液長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和體內(nèi)使用可靠性等方面所必需的主動(dòng)和被動(dòng)成分材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和集成方法。

研究了能夠在高時(shí)空分辨率下進(jìn)行大區(qū)域多路電生理測(cè)繪的生物電子系統(tǒng)，特別是關(guān)注那些在活體動(dòng)物模型中已被證明具有慢性穩(wěn)定性的生物電子系統(tǒng)，以及在人腦尺度上可擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)通道的生物電子系統(tǒng)。在最后作者表明，材料科學(xué)的研究將繼續(xù)鞏固這一研究領(lǐng)域的進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)：Song, E., et al. Materials forflexible bioelectronic systems as chronic neural interfaces. Nat. Mater. 19,590–603 (2020).

4.Nature Biomed Eng：用于監(jiān)測(cè)慢性疾病和愈合過程的生物可吸收壓力傳感器

顱內(nèi)壓、眼內(nèi)壓和血管內(nèi)壓在臨床上分別用于創(chuàng)傷性腦損傷、青光眼和高血壓的診斷和治療，而傳統(tǒng)用于測(cè)量這些壓力的裝置需要在相關(guān)手術(shù)時(shí)間后進(jìn)行手術(shù)摘除。相比之下，生物可吸收傳感器可以消除了這一缺點(diǎn)，從而最大限度地降低了感染風(fēng)險(xiǎn)，降低了護(hù)理成本，并減輕了患者的痛苦。然而，目前可用的生物可吸收壓力傳感器的使用壽命不足以滿足許多臨床需求。

針對(duì)這一問題，美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers院士聯(lián)合華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院WilsonZ. Ray?教授課題組聯(lián)合對(duì)傳感器的材料、器件結(jié)構(gòu)和制造方法進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)了一種壽命相比于之前報(bào)告的壽命至少延長(zhǎng)十倍的生物可吸收壓力傳感器。研究中的整個(gè)方案依賴于利用聚合二甲基硅氧烷(PDMS)焙燒形成的非晶態(tài)硅粘接層來粘接一對(duì)絕緣體上硅(SOI)晶片，鍵合后消除手柄晶片產(chǎn)生超薄、無機(jī)生物可吸收電子傳感器，具有堅(jiān)固的生物液屏障和允許長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

通過對(duì)大鼠進(jìn)行25天的顱內(nèi)壓監(jiān)測(cè)，結(jié)果證明了研究中使用的生物可吸收壓力傳感器具有準(zhǔn)確性高，漂移小，總體性能優(yōu)于不可吸收的臨床標(biāo)準(zhǔn)傳感器的優(yōu)點(diǎn)。這些結(jié)果不僅為滿足臨床使用要求的生物可吸收壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)建立了途徑，而且還為廣泛種類的生物可吸收電子設(shè)備提供了借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：J. Shin, Y. Yan, W，W.Z. Ray and J.A. Rogers,”Bioresorbable Pressure Sensors Protected with Thermally Grown SiliconDioxide for the Monitoring of Chronic Diseases and Healing Processes,”Nature Biomedical Engineering 3, 37-46 (2018).

5. Nature Biomed Eng：針形超薄壓電微系統(tǒng)，通過機(jī)械傳感引導(dǎo)組織靶向

在世界范圍內(nèi)，癌癥是僅次于心腦血管的主要死亡原因，活組織檢查對(duì)于診斷、評(píng)估治療反應(yīng)和在個(gè)性化藥物時(shí)代指導(dǎo)治療是必不可少的。因此，準(zhǔn)確的組織活檢在大多數(shù)癌癥的管理中是至關(guān)重要的。然而，即使是在醫(yī)學(xué)技術(shù)十分發(fā)達(dá)的美國(guó)，很多醫(yī)學(xué)中心使用的的泛癌臨床試驗(yàn)都無法將活組織檢查失敗率降低到20%以下。同時(shí)，在基于針的活檢過程中準(zhǔn)確定位腫瘤部位對(duì)診斷和癌癥治療中的個(gè)性化治療至關(guān)重要，但是大約有五分之一的活檢樣本無法進(jìn)行分析，原因是活檢針在圖像引導(dǎo)下不精確地定位腫瘤，導(dǎo)致提取的惡性癌細(xì)胞數(shù)量達(dá)不到分析標(biāo)準(zhǔn)。因此導(dǎo)致目前用于指導(dǎo)活檢的成像方式要么不能提供足夠的信息，要么不適合廣泛應(yīng)用于臨床。

為了克服這一問題，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士、黃永剛院士聯(lián)合美國(guó)血管與介入放射學(xué)、微創(chuàng)治療學(xué)實(shí)驗(yàn)室RahmiOklu?等人聯(lián)合開發(fā)了一種針狀超薄壓電微系統(tǒng)，它可以被注射或直接安裝在常規(guī)活檢針上，通過定量實(shí)時(shí)測(cè)量組織模量的變化，在捕獲活檢樣本期間用于區(qū)分異常組織。利用特征良好的合成軟材料、移植的組織和動(dòng)物模型，研究者從實(shí)驗(yàn)和理論上建立了微系統(tǒng)的基本工作原理。通過對(duì)有癌性病變的人體肝臟的系統(tǒng)測(cè)試，研究者們證明了壓電微系統(tǒng)與磁共振彈性成像提供了定量的一致性，而磁共振彈性成像是臨床測(cè)量組織模量的黃金標(biāo)準(zhǔn)。這些研究為提高組織靶向性的微創(chuàng)傳感器奠定了基礎(chǔ)(其中楊氏模量是指導(dǎo)組織和基因檢測(cè)準(zhǔn)確采集標(biāo)本的基礎(chǔ))。

參考文獻(xiàn)：X. Yu, H. Wang, X，Y. Huang, R. Oklu and J.A. Rogers,”Needle-shaped Ultrathin Piezoelectric Microsystem for Guided TissueTargeting via Mechanical Sensing,” Nature Biomedical Engineering 2,165-172 (2018).

6.Nature Biomed Eng：光譜表征生理狀態(tài)和神經(jīng)活動(dòng)的生物可吸收光子器件

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體內(nèi)生理過程有助于給藥時(shí)刻表設(shè)定，外科手術(shù)過程規(guī)劃，以及康復(fù)管理?，F(xiàn)有方法依賴于體外成像技術(shù)或植入傳感器，這些方法不能在臨床相關(guān)時(shí)間尺度上提供連續(xù)信息，并且/或需要昂貴且高風(fēng)險(xiǎn)的手術(shù)過程。

針對(duì)這一問題，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一類基于人體可吸收材料的注射式光子裝置[該裝置含有一系列生物可吸收光學(xué)組件，包括:基于器件級(jí)單晶硅納米膜(Si納米膜)的單結(jié)光電探測(cè)器、基于Si P-N結(jié)的三層疊片和三色光電探測(cè)器、SiOx和SiNy光學(xué)多層濾波器和聚乳酸-乙醇酸(PLGA)光纖]，用于光譜表征目標(biāo)組織和體液。作為范例，作者演示了該裝置可用來連續(xù)監(jiān)測(cè)自由移動(dòng)小鼠的大腦溫度，氧化作用和神經(jīng)活動(dòng)。作者認(rèn)為，這類裝置在疾病病理學(xué)基礎(chǔ)、神經(jīng)科學(xué)研究、手術(shù)治療以及恢復(fù)過程監(jiān)測(cè)中會(huì)發(fā)揮作用。

參考文獻(xiàn)：Bai, W., Shin, J., Fu, R. et al.Bioresorbable photonic devices for thespectroscopic characterization ofphysiological status and neural activity. Nat Biomed Eng 3, 644–654 (2019)

7.Nature Medicine：無線生物可吸收電子系統(tǒng)助力持續(xù)非藥物神經(jīng)再生治療

外圍神經(jīng)損傷是公共衛(wèi)生的一個(gè)重大問題，占所有創(chuàng)傷病例的5%。對(duì)于嚴(yán)重的神經(jīng)損傷，即使采用先進(jìn)的臨床干預(yù)手段，也往往會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)和/或感覺功能不能達(dá)到令人滿意的程度。許多研究指出藥物方法(如生長(zhǎng)因子、免疫抑制劑)在嚙齒類動(dòng)物模型中加速和增強(qiáng)了神經(jīng)再生的潛力，但是，這些藥物很少能在臨床實(shí)踐中產(chǎn)生積極的反響。術(shù)中直接電刺激法一種新的非藥物、生物電療法，它可以修復(fù)近端受損神經(jīng)組織來增強(qiáng)和加速受損神經(jīng)功能的恢復(fù)。但是，這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)重大局限性是現(xiàn)有的協(xié)議僅限于術(shù)中使用以及治療效果有限。

針對(duì)這一問題，美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers院士、華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院WilsonZ. Ray教授聯(lián)合開發(fā)了一個(gè)生物相容性和生物可吸收的無線、可編程電子外圍神經(jīng)刺激系統(tǒng)，首次報(bào)道了在嚙齒類動(dòng)物模型中，由于受傷神經(jīng)組織的多次電刺激而增強(qiáng)神經(jīng)再生和功能恢復(fù)。該系統(tǒng)通過使用無線生物可吸收電子技術(shù)，對(duì)病灶組織的程序化電刺激超過術(shù)中間隙6天，這是一種有效的非藥物輔助治療神經(jīng)損傷的方法。這些發(fā)現(xiàn)為廣泛種類的生物可吸收電子植入物奠定了工程基礎(chǔ)，這些植入物可作為在一系列臨床應(yīng)用中神經(jīng)再生生物電子干預(yù)的功能通道。此外，這些系統(tǒng)還可以廣泛適用于各種目標(biāo)組織和器官系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：J. Koo, M.R. MacEwan, W.Z. Ray and J.A.Rogers, “Wireless Bioresorbable Electronic System Enables SustainedNon-Pharmacological Neuroregenerative Therapy,” Nature Medicine 24,1830-1836 (2018).

8.Nature Electronics：用于神經(jīng)科學(xué)研究的無電池、多模式操作全植入式光電系統(tǒng)

微生物視蛋白的發(fā)現(xiàn)及其在神經(jīng)科學(xué)研究中的應(yīng)用，為利用光學(xué)手段激活靶向神經(jīng)元提供了基礎(chǔ)，并導(dǎo)致了一套新的神經(jīng)科學(xué)研究方法，統(tǒng)稱為光遺傳學(xué)。光遺傳學(xué)可以通過激活和抑制大腦和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中選定的行為中心而得到了廣泛的應(yīng)用。在這項(xiàng)應(yīng)用中，將適當(dāng)強(qiáng)度的光傳遞到靶向組織至關(guān)重要，最簡(jiǎn)單和最常見的方法是將光學(xué)纖維物理地拴在外部光源上，但這種機(jī)械和光學(xué)接口會(huì)對(duì)周圍組織造成損傷并導(dǎo)致光衰減。最近推出的無線微型化真皮下平臺(tái)，可在無電池的操作模式下提供光，從而最大限度地減少微運(yùn)動(dòng)和減少探針界面的疤痕形成。同時(shí)，它們還可以不受約束地進(jìn)行操作。但是這些開發(fā)和報(bào)道的裝置暫時(shí)還不能保證對(duì)光強(qiáng)度的精確控制，也不能支持多模式操作或?qū)Χ鄠€(gè)設(shè)備的獨(dú)立控制。

鑒于此，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種可編程、多模態(tài)光遺傳學(xué)的全植入式、無線光電系統(tǒng)，可以滿足神經(jīng)科學(xué)研究的許多需求。在該系統(tǒng)中，無電池的磁諧振耦合操作允許在動(dòng)物身上進(jìn)行不確定性實(shí)驗(yàn)，完全不受物理或慣性運(yùn)動(dòng)的約束。具體來說，通過對(duì)排放強(qiáng)度的閉環(huán)反饋和高效的單向通信協(xié)議，實(shí)驗(yàn)者可以對(duì)基本操作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。與此同時(shí)，這套系統(tǒng)具有強(qiáng)大的能量收集能力，可以保持足夠的光功率水平，即使是在大型實(shí)驗(yàn)環(huán)境中也可以成功的產(chǎn)生光刺激。這些工具不僅促進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)的光發(fā)生實(shí)驗(yàn)研究，而且還為可自由移動(dòng)的動(dòng)物創(chuàng)造了新的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段。例如，可以用于雙側(cè)光基因刺激，對(duì)神經(jīng)元群體進(jìn)行個(gè)體控制、對(duì)個(gè)體刺激對(duì)象進(jìn)行社會(huì)實(shí)驗(yàn)，以及在體內(nèi)，通過精確控制發(fā)射強(qiáng)度對(duì)新視蛋白進(jìn)行快速表征。

參考文獻(xiàn)：P. Gutruf, V. Krishnamurthi, D. Chandaand J.A. Rogers, “Fully Implantable Optoelectronic Systems for Battery-free,Multimodal Operation in Neuroscience Research,” Nature Electronics 1,652-660 (2018).

9.Nature Communications：小型動(dòng)物無線起搏器用于生物醫(yī)學(xué)研究

動(dòng)物模型在研究心血管疾病的發(fā)病機(jī)理和研究心臟健康的多因素(包括遺傳和環(huán)境因素)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。但是這些因素需要數(shù)年才能在人類身上完全體現(xiàn)出來，而利用小動(dòng)物、原生動(dòng)物或基因工程動(dòng)物可以加速這些機(jī)制的研究(現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中使用較多的是利用電起搏器來誘導(dǎo)動(dòng)物心率加快)。最近開發(fā)的基于光遺傳學(xué)的技術(shù)可以利用光刺激基因靶向的光激活蛋白去極化心臟細(xì)胞，從而有效地加速和去纖顫，與電起搏相比，光生心臟和自主神經(jīng)刺激可通過選擇性刺激特定神經(jīng)元或心肌細(xì)胞亞群進(jìn)行功能解剖。但是光纖技術(shù)對(duì)有意識(shí)的、自由移動(dòng)的動(dòng)物模型或長(zhǎng)期體內(nèi)研究的適用性有限，比如傳統(tǒng)光纖的高模量剛性特性會(huì)阻礙體內(nèi)觀察和阻礙對(duì)慢性疾病的研究，特別是在快速移動(dòng)的軟組織系統(tǒng)(如心臟)。

針對(duì)這一問題，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士、PhilippGutruf教授和華盛頓大學(xué)Igor R. Efimov等人聯(lián)合開發(fā)了一種高度微型化的無線能量收集和數(shù)字通信電子系統(tǒng)，用于薄、微型起搏平臺(tái)，其重量?jī)H為110 mg，可皮下植入，并能承受200,000多個(gè)多軸應(yīng)變循環(huán)，而不會(huì)降低電學(xué)或光學(xué)性能。數(shù)日的體外和體內(nèi)多模和多點(diǎn)起搏的研究表明，該系統(tǒng)具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和優(yōu)良的生物相容性。作者指出，這種通過動(dòng)物控制和通過慢性起搏誘發(fā)心力衰竭來對(duì)心動(dòng)周期進(jìn)行光遺傳學(xué)刺激，可作為與基礎(chǔ)和應(yīng)用型心血管研究及生物醫(yī)學(xué)技術(shù)相關(guān)的操作模式的例子。

總的來說，該研究中設(shè)計(jì)的多模式和慢性植入式心臟起搏器具有無線和無電池功能，非常適合用于小動(dòng)物模型，如大鼠。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與MRI和CT成像兼容，可使自由運(yùn)動(dòng)的受試者在無機(jī)械或功能退化的情況下進(jìn)行慢性起搏。這種超輕、柔性和單片結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上提供了良好的生物相容性，與柔性印刷電路板技術(shù)的制造能力相匹配，具有廣泛的推廣潛力。

參考文獻(xiàn)：Gutruf, P., Yin, R.T., Lee, K.B. etal.Wireless, battery-free, fully implantable multimodaland multisite pacemakersfor applications in small animal models. Nat Commun 10, 5742 (2019)

10.Science Advances：用于局部組織血氧測(cè)量的皮下植入式無線無源光電系統(tǒng)

區(qū)域組織氧化程度反映了氧氣供給和需求之間的平衡，是一個(gè)各種生理和病理過程的標(biāo)志。在小動(dòng)物模型上的研究表明，由于O2動(dòng)力學(xué)與神經(jīng)活動(dòng)、組織灌注、腫瘤微環(huán)境、創(chuàng)面愈合級(jí)聯(lián)以及許多其他因素之間的相互作用，高度定位的組織氧合水平可以得出個(gè)人很多組織或器官健康參數(shù)?？煽康谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以提高對(duì)O2介導(dǎo)的生物過程的理解，而且對(duì)臨床診斷和治療指導(dǎo)有重要的參考價(jià)值。但是現(xiàn)有的組織氧合評(píng)估技術(shù)存在一系列缺點(diǎn)，比如需要接線（需要接入O2電極，光纖等）、麻醉劑、特殊裝置等，因此經(jīng)常會(huì)給測(cè)試對(duì)象的自然行為帶來干擾。

鑒于此，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套小型化、可完全植入式無線血氧定量法系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在動(dòng)物清醒狀態(tài)下，不加束縛地對(duì)其特定組織區(qū)域進(jìn)行血氧定量，例如小鼠大腦深處。為了實(shí)現(xiàn)這一特性，該系統(tǒng)結(jié)合了

• （1）用于連續(xù)感測(cè)局部血紅蛋白動(dòng)力學(xué)的微米級(jí)光電器件和
• （2）用于連續(xù)無線電源傳送和數(shù)據(jù)輸出的先進(jìn)設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)小型化的外形因素(可注射部件的尺寸與其他微創(chuàng)技術(shù)相似)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)(約80mg)、機(jī)械兼容的設(shè)計(jì)和生物相容性的包埋材料有利于植入，最小化組織損傷，并提供了強(qiáng)大的、慢性手術(shù)的潛在能力。作者認(rèn)為，本文的結(jié)果為研究自然行為個(gè)體中各類O2介導(dǎo)的生理過程創(chuàng)造了大量機(jī)會(huì)，給生物醫(yī)學(xué)研究和臨床實(shí)踐帶來了啟示。

參考文獻(xiàn)：Zhang, Hao, et al. “Wireless,battery-free optoelectronic systemsas subdermal implants for local tissueoximetry.” Science advances 5.3(2019): eaaw0873.

【三】先進(jìn)微型器件制造技術(shù)

1.Nature Materials：多穩(wěn)定彎曲力學(xué)可形變3D微電子器件

具有形狀可以在不同形態(tài)之間定性可逆改變的3D結(jié)構(gòu)在工程中有很重要的應(yīng)用，例如可展開空間結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、機(jī)器人和超材料。許多這樣的可逆結(jié)構(gòu)3D系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈感來自于古老的折紙/剪紙藝術(shù)，這主要是可以通過主動(dòng)折疊和展開預(yù)先設(shè)計(jì)的折痕和切割的薄片來實(shí)現(xiàn)各種形狀。

但是要想同時(shí)應(yīng)用于大范圍的尺寸，并與最先進(jìn)的微系統(tǒng)技術(shù)中的各種先進(jìn)材料相結(jié)合，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。比如，這些方法并不容易應(yīng)用于高性能的平面薄膜材料或微/納米尺度的結(jié)構(gòu)器件(這些器件涉及各種材料和現(xiàn)有的電子、光電子和微機(jī)電系統(tǒng)中的元件器件設(shè)計(jì))。

美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士、黃永剛院士和清華大學(xué)YihuiZhang教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出了一套策略和設(shè)計(jì)概念來解決這個(gè)問題。首先，作者利用雙軸預(yù)緊彈性體平臺(tái)和二維前體的方案來裝配三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)。因?yàn)橹暗难芯勘砻骱?jiǎn)單的雙軸釋放預(yù)應(yīng)變使確定性的三維組裝可以通過連續(xù)和平滑的形狀變化。

其次，作者采用釋放序列和特別設(shè)計(jì)的前驅(qū)體設(shè)計(jì)來保證多種不同三維屈曲模式的穩(wěn)定，從而提供可逆重構(gòu)的能力。該方法利用在不同時(shí)間序列下變形的彈性體平臺(tái)，通過非線性力學(xué)屈曲彈性的改變支撐微觀結(jié)構(gòu)的三維幾何形狀。作者通過實(shí)驗(yàn)和理論研究了超過20個(gè)例子，包括具有可識(shí)別形式的復(fù)雜物體(例如，章魚、蜘蛛、鳥、楓葉、房子和籃子)和可以在三到四種不同狀態(tài)下重新配置的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，說明了該策略的通用性。該研究所報(bào)道的系統(tǒng)的二維到三維幾何轉(zhuǎn)換中固有的雙穩(wěn)定性和多穩(wěn)定性的基礎(chǔ)研究，為設(shè)計(jì)具有獨(dú)特、可重構(gòu)拓?fù)涞娜S介觀結(jié)構(gòu)建立了一般的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：H. Fu, K. Nan, Y. Huang, Y. Zhang andJ.A. Rogers, “Morphable 3D Mesostructures and Microelectronic Devices byMultistable Buckling Mechanics,” Nature Materials 17, 268-276 (2018).

2.Nature Electronic：用于振動(dòng)能量收集、機(jī)器人傳感界面和生物醫(yī)學(xué)植入裝置的3D壓電高分子微系統(tǒng)

壓電微系統(tǒng)在機(jī)械傳感、能源轉(zhuǎn)化和機(jī)器人等領(lǐng)域有重要作用。壓電微系統(tǒng)通常是平面結(jié)構(gòu)，但將轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)則可能提升并擴(kuò)展其工作狀態(tài)。有鑒于此，美國(guó)西北大學(xué)JohnA. Rogers院士、黃永剛院士和清華大學(xué)Yihui Zhang等人采用一種可控的非線性屈曲過程，將光刻所得2D電極圖案以及壓電高分子薄膜轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的3D壓電微系統(tǒng)。

為證明此方法的普適性，作者給出了20個(gè)多不同的3D幾何結(jié)構(gòu)?；谶@些結(jié)構(gòu)，作者實(shí)現(xiàn)了具有可調(diào)機(jī)械性質(zhì)和均方根電壓（2-790mV）的能量捕捉裝置；應(yīng)用于機(jī)器人假肢界面的具有更高響應(yīng)性（例如，各向異性響應(yīng)以及法向力下60mVN?1的靈敏度）的多功能傳感器；能在體內(nèi)運(yùn)行的生物一體化裝置?？傊?，這些3D幾何結(jié)構(gòu)，特別是那些具有超低剛度或非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的，具有傳統(tǒng)2D設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)甚至不能實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特力學(xué)屬性和功能性。

參考文獻(xiàn)：Han, M., Wang, H., Yang, Y. et al.Three-dimensional piezoelectricpolymer microsystems for vibrational energyharvesting, robotic interfaces andbiomedical implants. Nat Electron 2, 26–35(2019).

3.Science Advances：三維微觀結(jié)構(gòu)中的機(jī)械活性材料

包含先進(jìn)機(jī)械活性材料的復(fù)雜3D微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)由于其在許多新興體系(如加速器、慣性制導(dǎo)、細(xì)胞力學(xué)、高精度質(zhì)量傳感和微流體控制等等)中的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。壓電材料，特別是結(jié)構(gòu)緊湊和輕便的薄膜壓電，是3D MEMS執(zhí)行器的基礎(chǔ)，它可以在小的驅(qū)動(dòng)電壓下產(chǎn)生具有線性力和位移響應(yīng)的快速開關(guān)。如何在3D MEMS中合理部署這樣的壓電元件，從而整體集成到復(fù)雜的3D框架中仍是當(dāng)前工作的一個(gè)難題。

基于此，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上發(fā)文介紹了引導(dǎo)組裝和非均勻材料集成的策略，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維微尺度機(jī)械框架(其中包含多個(gè)獨(dú)立定位的壓電薄膜驅(qū)動(dòng)器，用于振動(dòng)激勵(lì)和精確控制)。這種策略結(jié)合了轉(zhuǎn)移印刷作為材料集成的方案和結(jié)構(gòu)屈曲作為2D到3D幾何變換的手段，用于平面或曲線表面上從簡(jiǎn)單的對(duì)稱布局到復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。作者利用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究揭示該策略潛在的特性和能力，包括選擇性激發(fā)目標(biāo)振動(dòng)模式，以同時(shí)測(cè)量周圍流體的粘度和密度。這些結(jié)果為具有生物感應(yīng)、機(jī)械生物學(xué)、能量采集等獨(dú)特功能的不同尋常的機(jī)械活動(dòng)三維結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：X. Ning, X. Yu, Y. Zhang and J.A.Rogers, “Mechanically Active Materials in Three-DimensionalMesostructures,” Science Advances 4: eaat8313 (2018).

4.Nature Communications：功能3D結(jié)構(gòu)中的2D材料在光電檢測(cè)和成像中的應(yīng)用

與2D平面材料相比，部署在復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)中的電子和光電子材料可以提供擴(kuò)展級(jí)別的功能，并且現(xiàn)有的大量研究表明了3D結(jié)構(gòu)在用簡(jiǎn)單的材料獲得獨(dú)特的性能方面有巨大的價(jià)值。剪紙受到折紙藝術(shù)的啟發(fā)，擁有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，有望成為2D到3D轉(zhuǎn)換的有效路徑，但目前的研究缺乏功能材料、力學(xué)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)級(jí)架構(gòu)的組合，以及具有獨(dú)特操作特性的實(shí)用設(shè)備的集成能力?；诖耍绹?guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士聯(lián)合延世大學(xué)Jong-Hyun Ahn教授研究團(tuán)隊(duì)通過演示可以測(cè)量入射光的方向、強(qiáng)度和角散度特性的復(fù)雜、機(jī)械組裝的三維光成像系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)二維半導(dǎo)體/半金屬材料可以在2D到3D轉(zhuǎn)換情況下發(fā)揮關(guān)鍵作用。具體來說，利用石墨烯和二硫化鉬力學(xué)原理以及配置合適的聚合物支撐薄膜，可以形成獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器陣列，包括八角形棱鏡、八角形棱鏡和半球形穹頂。

參考文獻(xiàn)：W. Lee, Y, J.-H. Ahn and J.A. Rogers,”Two-Dimensional Materials in Functional Three Dimensional Architectureswith Applications in Photodetection and Imaging,” Nature Communications 9:1417 (2018).

5.Science Translational Medicine：高清晰度、長(zhǎng)期記錄的神經(jīng)接口

由于目前大部分研究和使用的神經(jīng)接口設(shè)備的傳感觸點(diǎn)數(shù)量有限，因此它們只能對(duì)大腦進(jìn)行粗略采樣或者限制于對(duì)一個(gè)小的神經(jīng)元體積進(jìn)行采樣。提高神經(jīng)接口設(shè)備的吞吐量，以高密度同時(shí)采集大區(qū)域的高保真大腦信息是研究和臨床應(yīng)用中的迫切需求，同時(shí)，超薄而靈活的持久、高分辨率神經(jīng)接口對(duì)于精確的大腦映射和高性能的神經(jīng)假體系統(tǒng)至關(guān)重要。要想對(duì)大腦的數(shù)千個(gè)區(qū)域進(jìn)行采樣，就需要將電力電子集成到幾根外部導(dǎo)線上，將多個(gè)電極進(jìn)行多路復(fù)用。然而，現(xiàn)有的多路電極陣列受限于封裝策略和有限的植入壽命。

為了解決這一難題，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士、杜克大學(xué)Jonathan Viventi教授和紐約大學(xué)神經(jīng)科學(xué)中心BijanPesaran教授研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種靈活的多路電極陣列，稱為神經(jīng)矩陣，它可以非常穩(wěn)定的提供嚙齒類動(dòng)物和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物體內(nèi)的神經(jīng)記錄(預(yù)計(jì)至少持續(xù)6年)。研究者對(duì)目前最先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行了以下五點(diǎn)改進(jìn)，開發(fā)了該研究中的神經(jīng)矩陣：

• (i)通過在每個(gè)電極接觸處集成靈活的有源電子器件，可擴(kuò)展到超過1000個(gè)通道，外部導(dǎo)線少于100根。
• (ii)超薄(~ 29um)，保證與大腦的適形接觸，提高信號(hào)壽命；通過
• (iii)使用t-SiO2封裝策略和
• (iv)將電傳感方法從法拉第式改為電容式，可以延長(zhǎng)器件壽命；
• (v)通過使用集成人工硬腦膜陣列封裝，在NHPs中實(shí)現(xiàn)了快速、迭代的體內(nèi)測(cè)試。

此外，研究中使用的是標(biāo)準(zhǔn)的硅制造工藝，可以在提高傳感器分辨率和更大的覆蓋范圍的同時(shí)來降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。

參考文獻(xiàn)：C.-H. Chiang, S.M. Won, J.A. Rogers andJ. Viventi, “Development of a Neural Interface for High-Definition,Long-Term Recording in Rodents and Non-Human Primates,” ScienceTranslational Medicine 12, eaay4682 (2020).

6.Nature Communications：興奮性VTA→DH投射為記憶電路提供價(jià)信號(hào)

積極或消極的經(jīng)歷通常會(huì)導(dǎo)致具有相似價(jià)值的記憶的形成。這些有“價(jià)值”的記憶會(huì)在經(jīng)歷很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)影響個(gè)體的威脅規(guī)避和獎(jiǎng)賞行為，尤其是在與它們的價(jià)值相一致的情感狀態(tài)下。然而，持久的情感記憶偏差也有不良的后果：有負(fù)面價(jià)的記憶通過觸發(fā)恐懼，在不再預(yù)測(cè)危險(xiǎn)的情況下恢復(fù)而導(dǎo)致焦慮癥；盡管個(gè)體會(huì)意識(shí)到藥物對(duì)健康有威脅作用，但積極價(jià)記憶還是會(huì)引發(fā)毒癮復(fù)發(fā)。背海馬體(DH)有確認(rèn)情景記憶的形成和檢索的作用，即關(guān)于對(duì)個(gè)人經(jīng)歷、事件發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間的記憶。情景記憶的感覺、空間和時(shí)間成分的形成需要從皮質(zhì)輸入到DH神經(jīng)元，近年來科學(xué)家對(duì)皮質(zhì)輸入到DH神經(jīng)元的理解有了顯著的進(jìn)展，特別是在描述齒狀回顆粒細(xì)胞中不連續(xù)的內(nèi)嗅皮層投射的作用時(shí)。但是，信號(hào)價(jià)到DG神經(jīng)元的電路還沒有被確定。腹側(cè)被蓋區(qū)(VTA)中腦多巴胺神經(jīng)元的活動(dòng)長(zhǎng)期以來被認(rèn)為與獎(jiǎng)賞信號(hào)有關(guān)。然而，由于發(fā)現(xiàn)從VTA到DH的多巴胺能投射稀少，以及多巴胺記憶機(jī)制主要涉及藍(lán)斑核的投射，最近提出的關(guān)于DH投射的VTA多巴胺神經(jīng)元在記憶中的作用受到了質(zhì)疑。

針對(duì)這一問題，美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers院士、Jelena Radulovic教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)表明興奮性、非多巴胺的VTA神經(jīng)元向DH記憶電路發(fā)出正負(fù)信號(hào)。這可以優(yōu)先提取消極和積極的記憶，而不是中性的記憶，這解釋了不同研究中的結(jié)果差異。同時(shí)，在研究中作者發(fā)現(xiàn)神經(jīng)傳導(dǎo)對(duì)性別有一定的依賴性，比如在恢復(fù)恐懼或阿片類藥物誘導(dǎo)的位置偏好后，女性的VTA→DH末端密度高于男性，而在激活VTA→DH末端時(shí)，谷氨酸電流衰減更快，因此，這也是女性更容易患有抑郁癥等精神疾病的原因。

參考文獻(xiàn)：Y. Han, Y. Zhang, H. Kim, J.A. Rogersand J. Radulovic, “Excitatory VTA to DH Projections Provide a ValenceSignal to Memory Circuits,” Nature Communications 11(1), 1-14 (2020).

除了以上部分頂刊論文，John A. Rogers院士研究團(tuán)隊(duì)在近三年還發(fā)表了8篇PNAS：

1.PNAS: 人體動(dòng)脈血壓與脈搏波速的關(guān)系

參考文獻(xiàn)：Y. Ma, J. Choi, J.A. Rogers andYonggang Huang, “Relation Between Blood Pressure and Pulse Wave Velocityfor Human Arteries,” Proceedings of the National Academy of Sciences115(44), 11144-11149 (2018).

2.PNAS:傳導(dǎo)耦合柔性硅電子系統(tǒng)用于慢性神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)

參考文獻(xiàn)：J. Li, E. Song, J. Viventi and J.A.Rogers, “Conductively Coupled Flexible Silicon Electronic Systems forChronic Neural Electrophysiology,” Proceedings of the National Academy ofSciences USA 115(41), E9542-E9549 (2018).

3.PNAS: 用于監(jiān)測(cè)大腦深部神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)的無線光電光度計(jì)

參考文獻(xiàn)：L. Lu, P. Gutruf, M.R. Bruchas and J.A.Rogers, “Wireless Optoelectronic Photometers for Monitoring NeuronalDynamics in the Deep Brain,” Proceedings of the National Academy ofSciences E1374-E1383 (2018).

4.PNAS：用于長(zhǎng)期生物集成的大規(guī)模柔性電子/光電微系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：Song, Enming, et al. “Flexibleelectronic/optoelectronicmicrosystems with scalable designs for chronicbiointegration.”Proceedings of the National Academy of Sciences 116.31(2019): 15398-15406.

5.PNAS：用于體內(nèi)光遺傳學(xué)/藥物學(xué)治療的輕質(zhì)無源無線注射式微系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：Zhang, Yi, et al. “Battery-free,lightweight, injectablemicrosystem for in vivo wireless pharmacology andoptogenetics.” Proceedingsof the National Academy of Sciences 116.43(2019): 21427-21437.

6.PNAS：記錄慢性神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的無線、無源皮下植入光度計(jì)系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)：A. Burton, S.N. Obaidb, J.A. Rogers, L.Lu and P. Gutruf, “Wireless, Battery-free Subdermally ImplantablePhotometry Systems for Chronic Recording of Neural Dynamics,” Proceedingsof the National Academy of Sciences, USA 117(6), 2835-2845 (2020).

7.PNAS：利用硬膜和軟基板的界面力學(xué)來控制屈曲3D組裝

參考文獻(xiàn)：Y. Liu, X. Wang, J.A. Rogers and Y.Zhang, “Harnessing the Interface Mechanics of Hard Films and SoftSubstrates for 3D Assembly by Controlled Buckling,” Proceedings of theNational Academy of Sciences USA 116(31), 15368-15377 (2019).

8.PNAS：屈曲和扭轉(zhuǎn)工藝實(shí)現(xiàn)基于先進(jìn)材料的形變3D介觀結(jié)構(gòu)

參考文獻(xiàn)：Zhao, Hangbo, et al. “Buckling andtwisting of advanced materialsinto morphable 3D mesostructures.”Proceedings of the National Academy of Sciences (2019): 201901193.

John A. Rogers院士簡(jiǎn)介

John A. Rogers教授于1995年在麻省理工學(xué)院(MIT)獲得物理化學(xué)博士學(xué)位，曾在Bell實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任凝聚態(tài)物理研究部主任。從2003開始，Rogers教授在伊利諾伊大學(xué)香檳分校擔(dān)任材料科學(xué)與工程系講席教授。2016年起，擔(dān)任美國(guó)西北大學(xué)材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和醫(yī)學(xué)學(xué)科Louis Simpson and Kimberly Querrey講席教授，并兼任生物集成電子中心創(chuàng)始主任。

John A. Rogers教授是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、美國(guó)國(guó)家工程院、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)研究員(IEEE; 2009) ,美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)員(APS; 2006) ,材料研究學(xué)會(huì)會(huì)員(MRS; 2007) ,美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)會(huì)員(AAAS;2008)和美國(guó)國(guó)家發(fā)明家學(xué)會(huì)會(huì)員(NAl; 2013)。John A. Rogers教授在仿生電子器件的設(shè)計(jì)與制造、可穿戴生物醫(yī)學(xué)電子器件等研究領(lǐng)域走在世界最前沿。曾獲得麥克阿瑟天才獎(jiǎng)（2009年）、麻省理工學(xué)院萊梅爾遜獎(jiǎng)（2011年）、the IEEE EMBS Trailblazer Award （2016）以及美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)頒發(fā)的納戴獎(jiǎng)?wù)拢?017年）等多項(xiàng)大獎(jiǎng)。