港大机械系徐立之教授团队Adv Mater：软体电子器件与复杂生物组织间的3D接口

柔性功能材料的快速发展促进了仿生电子器件的研究。这些器件具有与生物组织相似的机械性能，与人体结合后有望为医学诊断与治疗提供先进的传感与刺激手段。然而，现有的软体电子大多被设计为平面器件，很难与具有复杂三维结构的器官或组织进行交互，因此，设计具有三维结构的柔性生物电子器件是十分必要的。近日，香港大学机械工程系徐立之教授课题组联合华中科技大学黄永安教授课题组，在Advanced Materials 期刊发表了题为“3D Interfacing between Soft Electronic Tools and Complex Biological Tissues”的综述文章。该文讨论了构建软体电子器件与复杂生物器官/组织间3D接口的方法，指出了目前所面临的主要挑战，并对该领域未来的发展进行了展望。内容主要包括以下部分：

1. 用于构建软体电子器件的材料

各种无机与有机材料被广泛应用于软体电子器件的制造。其中，无机电子材料如单晶硅具备出色的电子特性与成熟的制备工艺，然而，由于其固有的刚性与脆性，需要通过结构设计使其满足器件的形变要求，如纳米膜、纳米线、纳米颗粒等；有机电子材料具备很好的拉伸性能，可满足器件的形变需求，各种导电聚合物也被广泛应用于电子器件的设计中；此外，复合材料通过将无机导体与弹性体结合，以及在水凝胶中引入离子等方式，也可用于软体功能器件的制造。

图1. 用于软体生物电子器件的无机纳米材料

图2. 用于软体生物电子器件的聚合物与复合材料

2. 集成于三维器官表面的生物电子器件

人体器官通常具有复杂且不可展的三维表面，传统的平面器件应用到此类表面时需要对原始平面结构进行各向异性和非均匀变形。在三维电子器件的设计中往往通过降低组分模量与结构厚度来实现低应变能的三维形变，利用可拉伸的网状结构与基于剪纸艺术的设计可以进一步减少应变能以实现共形贴附，三维成像与打印技术可以实现与特定器官相适配的生物电子器件设计。

2.1 网状器件与受剪纸艺术启发的结构

网状结构可以实现与三维起伏表面的共形集成。研究表明仅当平面器件的应变能小于界面间的粘附能时，可实现在弯曲表面的共形粘附。在网状结构设计中引入蛇形图案可进一步提高在器官表面的共形集成能力，这些结构具有低的有效刚度，类似弹簧的结构可以适用于大的面内拉长而避免了对组分材料造成有害应变。通过机械载荷作用下的平面外屈曲和非均匀应变分布的模式，可进一步增强形变能力。利用分形设计可以增大纹路的填充面积而保持其形变能力。这种网格结构可以通过连续介质力学理论进行建模分析，以实现在各种应用背景下对其进行优化。基于剪纸艺术的结构设计可将原本不可拉伸的膜转换为高度可重构的膜，并以易控制的方式赋予其各向异性的力学特性。通过材料选择与图案设计的自由结合可提供几乎无限的设计。

图3. 保形器件的力学分析

图4. 网状和kirigami器件用于器官保形集成

2.2 器官特异性电子器件的设计方法

传统的软体电子的非定制的设计可能会阻碍其与真实组织器官的集成。将三维成像与3D打印技术相结合可实现共形电子器件针对真实器官表面的个性化集成。此外，机器学习可以应用于动态分析生物器官的表面特征，有利于共形器件实现快速定制，提示了可穿戴器件的制备技术的发展方向。

图5. 器官专用电子器件的设计与制备

3. 穿插式3D生物接口

研究大脑活动不仅需要监测表面的神经网络，也需要对内部的神经网络进行研究，因此需要植入侵入式的探针。传统的探针在植入后会造成神经元和胶质细胞被迫重排，此外，它们会破坏脑血屏障，形成器件-组织界面，导致化学降解，相对移动和免疫反应等，破坏器件的功能，因此需要开发新型探针以降低上述损害。

3.1 生物电子集成的微探针

所设计的微探针电极直径应小于10 μm以降低微探针对组织的伤害以及有效地分辨单个神经元的电生理型号。微线形的微探针可极大地降低急性伤害与生物排斥反应，多个电极集成可实现多通道记录，然而传统的微线形探针很难实现高密度映射，电荷注入容量与电化学腐蚀等限制了其长期使用。基于硅基微电子制造技术使多路复用探针可应用于高密度神经记录，然而电极的增加增大了对大脑组织的损害，较高的电化学阻抗以及热管理等也成为面临的难题。此外，多功能神经探针可集成发光元件等，为光遗传学研究提供便利，也可应用于生理信号的监测或药物递送等领域。

图6. 微型神经探针

3.2 可注射的网状电子器件

网状的电子器件可实现对大体积脑结构的监测且对自然组织造成较小的损害。柔性与多孔的特点使得其能实现更小的生物排斥反应与相对移动，为实现长期稳定的脑-机接口提供了解决方案。

图7. 互穿神经电子接口的可注射网状装置

4. 三维软体电子器件用于先进的细胞与组织培养

除了应用于生物体内，三维软体电子器件也可用于细胞与组织的体外培养。通过构建生物相容性好的生物-器件界面，对细胞与组织进行实时监测或靶向刺激，对研究生物过程以及医疗等方面有重大意义。这些软体电子器件的应用包括对细胞内部活动进行监测，以及作为人造组织的电子支架等。

图8. 用于细胞内记录的3D纳米电子器件

图9. 人造组织的电子支架

此外，本文还总结了目前所面临的挑战，如现有的软体电子器件功能与生物组织的复杂程度不相匹配，对新兴的电子器件测量缺少系统的数据处理分析方法，以及标准化制备等方面的问题，并提出未来可能的发展方向。

该论文的第一作者为香港大学博士生李禾耕，通讯作者为香港大学机械工程系徐立之教授与华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室黄永安教授。

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3D Interfacing between Soft Electronic Tools and Complex Biological Tissues

Hegeng Li, Hongzhen Liu, Mingze Sun, YongAn Huang, Lizhi Xu

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004425