鮑哲南，斯坦福大學化工學院、材料學院終身教授，斯坦福大學化學工程學院院長，是第一個在斯坦福當院長的華人女性。美國國家工程院院士、美國國家發明學會的成員，斯坦福大學可穿戴電子中心創始人和主任，未來科學大獎科學委員會委員。鮑哲南于2010年底作為創辦人之一的C3Nano公司在美國硅谷成立，2011年獲得影響世界華人大獎，入選全球頂尖100材料科學家名人堂榜單，2015年Nature年度人物，2016年當選美國工程院院士,2017年獲得世界杰出女科學家獎。
鮑哲南教授的研究領域包括功能有機高分子材料的合成、有機電子器件的設計與制造、有機電子器件的應用開發等。這些研究方向具有多學科交叉性，涉及的概念和專業知識包括化學，化學工程，生物醫學工程，材料科學和工程，物理，和電氣工程等。目前課題組感興趣的器件包括有機/碳納米管薄膜晶體管、有機光伏電池、化學/生物傳感器和分子開關等。這些器件一方面作為基本電荷傳輸和光物理研究的表征工具，另一方面可用于納米尺寸電子器件、新型能源、低成本和大面積的柔性電路、顯示器和一次性傳感器等領域。
昨天，鮑哲南教授團隊在Nature報道了一種可拉伸的全聚合發光二極管設計策略和制造工藝，具有高亮度（~7450 cd/m2），電流效率（~5.3 cd/A）和可拉伸性（約100%應變）。作者制造的可伸縮紅色、綠色和藍色全聚合物發光二極管，可實現皮膚無線供電和脈沖信號的實時顯示，這項工作意味著在高性能可拉伸顯示器方面取得了重要進展。
今天，鮑哲南教授團隊再次在Science發表柔性電子器件的重要成果，實現了同時具有高導電性、可拉伸性和光圖案性的導電聚合物，并展示了在軟體章魚和大鼠腦干中的生物電子應用。這一策略的開發為柔性電子材料和器件的發展開拓了更廣闊的前景。
可植入和可穿戴的生物電子系統在生物醫學應用中必不可少，包括用于疾病診斷的生理信號的多模式監測、用于治療的神經或心臟活動的可編程調制、修復失去的感覺運動功能以及增強現實。然而，許多這些現有設備在動態移動的組織環境中運行時會出現性能下降，有時甚至會出現故障。這主要源于電子和生物系統之間的機械失配（例如，模量和拉伸性），將不可避免地導致兩者界面的脫離。為了在生物電極界面上保持有效的電信號交換，科學家們已經努力使剛性電子和無機材料與軟生物組織兼容，同時，本質上可拉伸的有機電子產品正迅速成為具有幾個特定優勢的有前途的候選者。
首先，它們不受剛性材料的整體系統可拉伸性和器件密度之間固有矛盾的影響。
其次，導電聚合物的高體積電容可以降低電極-組織界面阻抗，特別是在生理相關頻率范圍（<10 kHz），這允許高記錄保真度和有效的激勵電荷注入。
然而，現有的可拉伸導電聚合物一旦被微加工成生物電子器件，其電導率就會太低。因此，仍然需要剛性金屬互連，這大大削弱了軟導電聚合物的優勢。
有鑒于此，斯坦福大學的鮑哲南教授團隊研發了一個合理設計的拓撲超分子網絡，以同時實現生物電子學的三個重要目的，包括：
1）具有高導電性的生物相容性和可拉伸導電聚合物；
2）直接光圖案化到細胞水平的特征尺寸
3）在微細加工后保持高拉伸性，在 100% 應變下不形成裂紋。
所有這些特征對于低阻抗和無縫生物整合都是必不可少的。
圖1. 本征可拉伸有機電子器件，用于多模態和共形生物界面。
研究者設計了一種基于聚輪烷結構的可交聯超分子添加劑，并提出了一種關鍵假設，將拓撲結構納入分子設計可能達到使用多個分子構建塊來解耦競爭效應的目的，從而滿足復雜的要求。在生理環境中同時獲得了高電導率和開裂應變，到細胞尺度下仍然實現了直接光圖案化效果。研究者進一步收集了柔軟且具有延展性的章魚身上的穩定肌電圖信號，并進行了局部神經調節至單核精度，以通過腦干控制器官特異性活動。
圖2. 基于 PR 的拓撲網絡能夠同時增強PEDOT:PSS 的導電性、拉伸性和光圖案性。
圖3. 完全交聯的拓撲網絡后處理，可以實現創紀錄的高電導率和拉伸性
具有機械交聯結構的導電聚合物拓撲網絡可以在硫酸浸漬過程中保存下來，酸處理后的薄膜顯示出具有高強度的高階衍射峰，而 (100) 峰偏移到更大的 q 值，這表明更密集的層狀堆積和更長的有序性。π-π (020) 峰也出現在面內方向，表明 PEDOT 主鏈之間π-π堆疊的長程有序性。這些特征使得薄膜可以實現大應變同時保持良好的導電性。在生物體中測試時能表現出優異的循環性。
圖4. 柔性可拉伸電極陣列，滿足可變形組織的穩定電生理監測
圖5. 可拉伸的高密度陣列允許局部神經調節，以精確控制單個肌肉活動
總之，通過引入合理設計的拓撲超分子網絡，研究者實現了同時具有高導電性、可拉伸性和光圖案性的導電聚合物，并展示了在軟體章魚和大鼠腦干中的生物電子應用。這一策略的開發為柔性電子材料和器件的發展開拓了更廣闊的前景。
參考文獻：
Yuanwen Jiang et al.Topological supramolecular networkenabled
high-conductivity, stretchable organic bioelectronics. Science.2022.
DOI: 10.1126/science.abj7564
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7564
