生物电子设备正在革新当前的医疗体验，通过实时监测和治疗功能，使得生物医学科学迈入了一个新纪元。这些设备紧密地与人体生理系统连接，能够监控并激活生理过程，从而提供及时的疾病预防、早期诊断以及有效的治疗方案。这些设备不仅能够模拟人类的生理功能，还能增强作者的身体能力，开启了数字医疗保健的新篇章。与传统的生物电子设备相比，新一代的柔性生物电子设备采用了更柔软、更具弹性的材料，这些材料能够减轻与人体组织之间的机械冲突，从而避免了可能引起的组织损伤或免疫反应。这些高科技材料不仅可以像皮肤一样弯曲和拉伸，还具有自愈和生物降解的能力，为医疗设备提供了前所未有的灵活性和安全性。这种技术的进步正在帮助我们构建更为先进和人性化的医疗解决方案。

        据此，斯坦福大学鲍哲南教授团队发表综述论文讨论了柔性生物电子材料、设备与集成系统在生物医学应用方面的最新进展，以应对这些挑战。首先讨论了实现柔性和可拉伸器件的策略，重点介绍了结合内在可拉伸功能材料的分子和材料设计理念。接下来，将介绍用于皮肤传感和假肢的可穿戴设备的设计策略和注意事项。在皮肤下面，将讨论具有类组织机械特性的材料和集成设备在可植入设备方面取得的进展。最后，总结了用于构建独立集成系统和全身网络的策略，以便将可穿戴和植入式生物电子设备与其他重要组件（包括无线通信装置、电源、互连和封装）集成在一起。

        2024年6月17日，相关工作以“Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems”为题发表在 Nature Reviews Bioengineering 上。

        生物电子设备，与传统电子产品类似，包含互连件以及无源和有源组件，如电阻器、电容器、电感器、二极管和晶体管。这些元件是制作柔性传感器和致动器的关键，能够根据生物信号的变化调整电阻、电容或阻抗。有源组件，比如有机场效应晶体管，利用半导体材料放大、滤波和调制模拟及数字信号。这些技术合并在一起，使得生物电子设备能精确适应人体各部位，进行复杂的健康监控和治疗（图1）。为更好地与人体软组织结合，科学家们开发了本质上柔软且可拉伸的半导体和导电聚合物。通过分子工程改变聚合物的结构，这些材料在保持必要电性能的同时，也具备了优异的机械性能，如高拉伸性。关键技术是将半导体聚合物与热塑性弹性体结合，经过特殊溶液处理和薄膜技术加工，形成纳米级的纤维结构，这种结构既高度可拉伸又保持良好的电子性能。这些进步为医疗设备的高度集成和多功能化提供了技术支持，使生物电子设备能紧密贴合肌肤，有效地发挥其功能而不伤害组织，标志着技术的重大突破。

图1. 基于柔软可拉伸有机电子材料及器件的全身健康监测系统

        皮肤作为人体最大的器官，不仅帮助调节体温，还通过汗液排出离子、代谢物和蛋白质，成为理想的生物标志物获取渠道。在此背景下，研究者们探讨了与皮肤直接交互的设备，包括用于假肢的系统，这些系统能模拟皮肤触觉并传递触觉信息等（图2）。此外，可穿戴设备如Apple Watch和Fitbit虽体积小巧且能实时监测生命体征，但与皮肤的接触不完全吻合可能影响测量精度。为提高记录准确性，探讨了近传感器信号调节策略，如将放大和滤波电路与传感器集成，以及基于有机电化学晶体管的技术以减少噪声。此外，多模态软触觉系统的开发旨在模拟真实的人类触觉，通过微结构和高度集成的电子系统来处理多轴输入，如压力、剪切应力和弯曲。这些进步不仅提升了假肢和机器人技术的实用性，还为远程手术和高级数字信号处理开辟了新的可能性。

图2. 皮肤柔性电子设备

        柔性生物电子技术因其在临床应用中潜在的改进和治疗能力而受到关注。尽管这些技术在动物模型中已证明其有效性，但其在临床中的应用仍面临制造难度、可靠性和监管审批的挑战。接下来，作者总结探讨了植入式柔性生物电子设备的发展现状及应用（图3）。在脑机接口领域，为了减少大脑与刚性探针间的机械不匹配而造成的组织损伤，研究者们正在开发能够适应大脑曲率的柔性传感器，使用有机混合材料如PEDOT提高接口的信噪比并降低阻抗。此外，为心脏监测开发的柔性生物电子技术，如通过蛇形结构和嵌入弹性体基质的传感器和致动器，可以适应心肌细胞的高应变而不干扰心脏功能，并在手术后提供无需二次手术回收的临时监控。同时，针对周围神经系统的研究，开发了能够适应持续运动并减少设备干扰的柔性神经接口技术，这些技术整合了电、光、药理和热调节功能，展示了柔性生物电子技术在长期和动态生理监测中的广泛应用潜力。

图3. 植入式柔性生物电子设备

        独立的生物电子系统除了需要传感器和致动器外，还必须具备电源、数据采集和通信功能。一个理想的柔性生物电子网络（bodyNET）应包括多模式的可穿戴和植入式皮肤电子设备，这些设备能独立运行并通过无线网络提供实时反馈。实现这一目标涉及解决无线连接、电源供应、皮肤显示及设备互连和封装等实际问题。探讨了三种无线通信策略：无源标签系统、基于近场通信（NFC）的系统和蓝牙系统。由于现代无线协议如蓝牙和Wi-Fi通常依赖于电池供电，因此开发灵活且可拉伸的电源系统对于皮肤生物电子系统至关重要。此外，还讨论了如何使用可拉伸LED和皮肤投影仪在皮肤上实时显示信息，以及如何构建完整集成的系统，包括与商业PCB的互连和封装（图4）。

图4. 皮肤生物电子设备中无线通信和系统级集成策略

        综上，生物电子设备，具备类皮肤特性，为与人体无缝连接提供了新机会。这些设备的研发从分子设计到设备制造及系统集成都涉及一系列技术挑战。其中包括材料的生物医学应用还处于初期阶段，以及必须针对各类生物医学应用调整材料物理特性。现有的可拉伸半导体由于载流子迁移率较低而受限，需进一步开发高性能的半导体材料。同时，器件的小型化、材料的兼容性、以及高产量低成本的制造方法都是实现商业化的关键。此外，设备的生物相容性和长期佩戴的用户舒适度也是必须考虑的重要因素，如避免材料过敏反应和优化装置的透气性以增加舒适度。最终，柔性生物电子的发展将依赖于跨学科的合作，以实现高性能、与人体高度集成的生物电子网络，改善医疗保健水平。

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