UT-Austin鲁南姝教授《Matter》综述:增进电子器件与人体贴合的方法与展望

2022-05-18 07:52:28 浙江 高分子科学前沿
0人跟贴

近年来,柔性电子的出现加快了可穿戴和可植入设备的发展和应用。其重要性在远程医疗,移动健康和人机界面等新兴领域日益显现。在过去的二十年里,科学家们采取了各种方法来提高电子器件在人体器官上的贴合度,以提高其性能和舒适性。近期,UT-Austin鲁南姝教授团队在《Matter》应邀发表了题为“Strategies for body-conformable electronics” 的综述文章,系统性的总结了电子器件与人体贴合过程中产生的挑战与突破,并列举了一系列提高贴合度的方法。该文首先简要总结了该领域的现状,并提出了电子器件贴合人体的4大挑战——人体组织相较于传统电子器件在曲率、模量、形变以及粘附力上的差异。针对这些挑战,该文详细介绍了三个方面的解决方案:降低电子器件的厚度和刚度;增强界面的粘附力;改进器件与人体的贴合过程。最后,作者们提出只有综合考虑三方面的因素,才能成功打造出贴合人体的电子器件,并且展望了未来有潜力的发展方向。

图1 一些人体贴合电子器件代表

图1展示了部分可贴合人体的电子器件的代表,其中可穿戴器件包括额头、面部、颈部、胸口、手臂和手背上的表皮电子或者叫电子纹身,用于移动监测脑电,肌电,心电,以及皮肤湿度、手部动作等;手腕上的汗液传感器可以实时无创分析里面的化学生物标志物,比如各种离子、葡萄糖、氨基酸等等;智能隐形眼镜也可以通过眼泪连续无创监测体内葡萄糖含量;手肘的能量采集器可以将人体动能转化为电能来驱动电子器件。该图还展示了多种植入式的人体贴合电子器件,包括贴合大脑皮层用于光遗传学的可植入器件;像素高达1935但厚度仅1微米的人工视网膜;拥有可控药物缓释功能的智能血管支架;多功能电子心脏外皮;可以像藤蔓一样环绕神经的修复电极;以及可以模拟神经的电子脊髓膜(e-dura)。

文章随后指出了实现电子器件人体贴合的4大挑战:人体组织相较于传统电子器件在特征尺寸(图2A)、杨氏模量(图2B)、形变(图2C)和粘附力(图2D)在数量级上的巨大差异。

图2 人体组织的A特征尺寸,B杨氏模量,C形变范围,以及D粘附力

基于这些分析和理解,文章从以下三方面讨论了提高电子器件贴合度的解决方案:(1)降低电子器件的厚度和刚度(2)增强界面的粘附力(3)改进器件的贴合过程。

降低电子器件的厚度可以通过很多纳米材料和二维材料来实现,而器件的衬底厚度也不容忽略。对于降低电子器件的刚度,目前主要有两大方法:使用本来就柔软的功能材料或者将硬材料设计成柔软的结构来制作电子器件。一方面,本身具有低模量,良好的拉伸性和不错的电性能的导体和半导体(图3A&B)被相继开发并利用与柔性电子器件中,包括高分子材料、液相材料,水凝胶和纳米复合材料等。然而,功能性软材料的性能或者成本与传统电子材料还有一定距离。另一方面,基于硬材料的柔性与可拉伸结构被广泛应用于可贴合人体的电子器件中,包括蛇形结构(图3C)、分型结构(图3D)、网状设计(图3E)、剪纸设计(图3F)和纤维结构。这类创新的结构虽然提高了电子器件的等效模量和可拉伸性,但却往往会增加占用面积或尺寸。

图3提高电子器件贴合度的三类方案:降低电子器件的厚度和刚度,增强界面的粘附力和改进器件的贴合过程。

在相同的厚度和刚度下,提高电子器件与人体组织界面的粘附力可以进一步提高二者之间的贴合度。模仿壁虎脚底刚毛的微型柱阵列和模仿章鱼吸盘的微型凹坑阵列可以通过界面物理作用显著的提高界面的粘附力(图3 G)。在潮湿的体内环境中,可膨胀微针联锁(图3 H&I)以及分子链扩散与化学共价键的形成可以更加有效地提高界面的粘附力(图3 J)。其中水凝胶的化学交联可以将界面韧性提高至1000 J/m 2以上。

由于电子器件刚度的下降与界面粘附力的增强,电子器件的贴合过程会变得更加难以控制,而贴合的方式和过程也直接决定了电子器件的贴合度。针对高斯曲率为零的表面,弹性体和柔性基底可用作转印基底,直接将电子器件转印并贴合于人体表面(图3K)。而对于高斯曲率非零的不可展面,以点为接触面并慢慢转动的Cartan转印可以实现细丝状器件在大面积人体组织上的贴合(图3L)。另一种思路是将器件贴合在预成型的基底上,例如隐形眼镜(图3M),再进一步穿戴或贴合在人体上。而对于可植入器件,器件贴合过程将复杂许多,例如血管成型支架(图3N),这主要是因为人体内的拓扑结构更加复杂。

图4 设计和评估可贴合人体的电子器件的方法。

其实以上三种方案不应该是独立存在的,只有在充分考虑目标功能、生物相容性和实用性的基础上对以上三种方案进行综合考虑,才能打造出成功的可贴合人体的电子器件(图4)。除了人体可贴合器件以外,其实还有很多三维集成柔性生物器件本文并没有包括进来。在文章最后,作者对可贴合人体的电子器件的未来做出了展望,提出了数个很有前景的发展方向,包括利用剪纸实现的不可拉伸但可贴合且高密度的薄膜器件;模块化可重构的电子纹身;不受毛发干扰的器件;和透气性、透过性更好的佩戴舒适的电子器件。

文章作者包括UT-Austin鲁南姝教授团队的博士生刘思祎,饶一帆,Hongwoo Jang,Philip Tan.

鲁南姝教授是Web of Science高引作者,Nano Letters和Journal of Applied Mechanics副主编,长期深耕于柔性电子的力学,制造与人体集成。欢迎访问实验室主页了解更多相关工作:
https://sites.utexas.edu/nanshulu/

--3D打印白皮书--

--帮测科技--

原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.02.006

来源:高分子科学前沿

声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐

10:02