协同院学术合伙人 | 鲍哲南院士连发Science/Nature!
2022-03-30
本文转载自“iNature”微信公众号
基于柔软和导电有机材料的本征可拉伸生物电子器件被认为是与人体无缝和生物相容性集成的理想界面。剩下的挑战是将高机械稳健性与良好的导电性相结合，尤其是在以小特征尺寸图案化时。
2022年3月24日，北京协同创新研究院学术合伙人、斯坦福大学鲍哲南及天津大学王以轩在Science 在线发表题为“Topological supramolecular network enabled high-conductivity, stretchable organic bioelectronics”的研究论文，该研究开发了一种基于拓扑超分子网络的分子工程策略，该策略允许将多个分子构建块的竞争效应解耦，以满足复杂的要求。
该研究在生理环境中同时获得了高电导率和开裂应变，具有直接光图案化到细胞尺度。 该研究进一步收集了柔软且具有延展性章鱼的稳定肌电图信号，并进行了局部神经调节至单核精度，以通过精致的脑干控制器官特异性活动。
另外，2022年3月23日，斯坦福大学鲍哲南团队在Nature 在线发表题为“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution”的研究论文，该研究报告了一种材料设计策略和制造工艺，以实现可拉伸的全聚合物发光二极管并具有高亮度（每平方米约 7,450 坎德拉）、高电流效率（每安培约 5.3 坎德拉）和高度可拉伸性（约 100% 应变）。该研究制造了红色、绿色和蓝色的可拉伸全聚合物发光二极管，实现了皮肤上的无线供电和脉冲信号的实时显示。这项工作标志着高性能可拉伸显示器取得了重大的进步（点击阅读）。
可植入和可穿戴的生物电子系统在生物医学应用中至关重要，包括用于疾病诊断的多模式生理信号监测、用于治疗的神经或心脏活动的可编程调制、修复失去的感觉运动功能。然而，当在动态移动的组织环境中运行时，许多现有设备会出现性能下降，有时甚至会出现故障。这主要源于电子和生物系统之间的机械不匹配（例如，模量和拉伸性），这不可避免地导致界面分层、纤维化封装和/或逐渐的组织瘢痕形成。
为了保持跨生物电极界面的有效电信号交换，已努力使刚性电子和无机材料与软生物组织兼容。同时，本质上可拉伸的有机电子产品正迅速成为具有几个特定优势的有前途的候选者。首先，它们不受刚性材料的整体系统可拉伸性和器件密度之间固有的权衡影响。因此，可以使用保形生物界面实现高分辨率映射和干预。
用于多模态和共形生物界面的本征可拉伸有机电子器件（图源自Science ）
其次，导电聚合物 (CPs) 的高体积电容可以降低电极-组织界面阻抗，特别是在生理相关频率范围 (<10 kHz)，这允许高记录保真度和有效的刺激电荷注入 。然而，现有的可拉伸 CP 一旦被微加工成生物电子器件，其电导率就会太低。因此，仍然需要刚性金属互连，这大大削弱了软 CP的优势。
在这里，该研究描述了一个合理设计的拓扑超分子网络，以同时实现生物电子学的三个重要进展。这些进步是 (i) 具有高导电性的生物相容性和可拉伸 CP，(ii) 直接光图案化到细胞水平的特征尺寸以及 (iii) 在微加工后保持高拉伸性，在 100% 应变下不形成裂纹，所有这些对于低阻抗和无缝生物集成都是必不可少的。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04400-1
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7564