可拉伸電子產品的目的通常是將復雜的多功能設備與生物結構集成在一起。生物組織和電子之間的可靠相互作用需要建立在擁有良好電化學、電氣與機械性能的材料上。電化學過程涉及電子在生物電子-組織界面處的電子轉移和積累，需要使用合適的界面材料。電氣過程涉及用于信號相關的電子傳輸和預期工作值，這需要使用高導電材料。從力學的角度來看，需要模仿組織拉伸性和順應性，以實現高保真傳感和刺激。然而，這些材料的電化學和電性能可能受到來自組織的運動和復雜形貌的應變的影響。因此，可拉伸電子產品的關鍵在于材料和設備布局，這些材料和設備布局能夠以不妨礙電荷傳輸的方式適應應變。學界已經探索了許多方法來實現導電性和拉伸性的結合，通常遵循使導體具有彈性或使彈性體材料導電兩個大方向。目前有四種廣泛的策略已被用于制造用于生物醫學應用的可拉伸設備。近日，美國加州大學洛杉磯分校的Sam Emaminejad教授率領其互聯和集成生物電子實驗室團隊設計了設計了一種分層結構復合材料，就是上述第四種方式，將應變誘導裂紋膜與應變隔離的平面外導電通路和平面內納米線網絡結合，以消除應變對器件電化學性能的影響。制造策略基于具有良好電子傳遞特性的組織界面薄膜元件，使用可拉伸和高導電性的銀納米線(AgNW)為基礎的網絡互連元件，這些網絡鑲嵌在軟橡膠狀基質（聚氨酯丙烯酸酯，PUA）的表層。最后使用薄粘合劑和各向異性導電薄膜(ACF)無縫集成這兩個元件。各種薄膜材料，包括那些脆性高但具有良好電化學性能（金、鉑和氧化銥）的薄膜材料，可以通過薄膜沉積技術在ACF-AgNW-PUA結構（SIB）上進一步構建。SIB的應變不敏感性取決于三個特定層的應變能耗散機制：脆性界面薄膜的裂紋溝道；ACF層平面外導電通道的應變隔離；平面內AgNW網絡的重新排列。利用界面裂紋溝道作為拉伸應變能的釋放手段，每個破裂的碎片經歷最小的應變，同時保持電連接。作為裂紋界面薄膜和AgNW-PUA層之間的電橋，ACF呈現應變不敏感的平面外導電，因為剛性導電微粒(約千兆帕)被周圍的軟基質(約千帕)應變隔離。底層的AgNWs形成平面內導電滲透網絡，通過原位交聯的方式錨定在軟PUA襯底上。這種強結合使網絡可以重新排列釋放應變能。圖 柔性應變不敏感生物電極（SIB）：結構、應變耗散機制和應用為了可視化和定量地描述SIB的應變不敏感性，相應地使用了電化學沉積染色、電阻抗譜(EIS)和循環伏安法(CV)進行評價。有代表性的Au-SIB的裂紋碎片被完全“染色”，這表明在不同的應變水平下，與對照的Au電極相比，它們的導電性得到了保留。通過掃描電鏡成像對裂紋碎片進行了表征，脆性界面層99%的表面積保持連接。循環拉伸研究表明，盡管反復拉伸Au-SIB的裂紋密度并沒有增加，并且在動態拉伸期間，設備的電力學性能并未受到明顯影響。EIS和CV表征結果表明，在應變作用下，SIB系統底層電化學和電氣成分的變化可以忽略不計。應變SIB的阻抗譜在阻抗幅度(1 Hz至100 kHz)上沒有統計學差異，電化學阻抗在1000次張力循環后變化很小。此外，未應變和應變SIB的CV圖在20%到100%應變下表現出幾乎相同的特征。除了Au之外，還可以使用薄膜沉積技術簡單地將各種界面材料庫整合到SIB結構中。將鉑，碳和IrOx沉積到ACF上，作為常用脆性界面材料的示例，制備一系列具有應變不敏感界面電化學反應特征的SIB。選擇鉑作為界面材料的原因是它通常用作過氧化氫酶生物傳感器中的傳感層。不同H2O2濃度下Pt-SIB在松弛和拉伸狀態下對應的安培響應相似，盡管存在裂紋，但應變對電流的影響很小。選擇碳作為界面材料的原因是它在低濃度電活性生物標志物的定量中被普遍使用。研究應變對碳-SIB電極在差分脈沖伏安法檢測對乙酰氨基酚中的影響。不同濃度的對乙酰氨基酚中，電極在放松狀態和拉伸狀態下測量到的DPV峰值電流也是相似的。選擇IrOx作為界面材料的原因是它在生物電子學方面的巨大潛力。IrOx不僅具有良好的生物相容性，還能促進與周圍氫離子的快速可逆氧化還原反應，從而實現大電流和可逆電流注入。后一點尤其支持IrOx在組織生物電子學應用。然而，由于其固有的脆性，IrOx不能輕易地設計可拉伸電極。IrOx-SIB用于電位pH傳感和雙相脈沖式神經刺激。IrOx-SIB響應與被測溶液的pH值相關，在靜態和動態拉伸狀態下，電極響應保持不變。未應變IrOx-SIB與40%應變IrOx-SIB的EIS測量結果相似，說明了其可以適配高低頻刺激設置。在離體神經刺激表征方面的研究表明，IrOx-SIB在靜態和動態拉伸條件下都能提供穩定電流。圖 多種適配SIB的電化學傳感和刺激的脆性界面材料IrOX-SIB的電化學和電學性能與臨床使用的剛性袖帶電極幾乎相同，同時表現出類似組織的機械性能。但IrOx-SIB可最大限度地減少疤痕形成和免疫反應，同時即使在變形下也能提供有效的刺激。將這些生物電極與坐骨神經連接，以調節神經回路中的脊髓和肌肉。隨著電壓水平的增加，坐骨神經刺激導致雙側脛骨前部（TA）和胃內側（MG）肌電圖強度持續增加直至飽和。這一趨勢表明，可用運動單元的同步招募增加，直至完全招募，是在低至~ 20mv的電位水平上實現的。坐骨神經刺激頻率從1到100 Hz揭示了肌肉收縮的低通濾波特性。盡管被拉伸，IrOX-SIB誘導TA和MG肌電圖具有與無應變設備相似水平的信噪比。施加的刺激頻率與TA和MG肌肉收縮頻率之間是一對一的比例。這些結果證明了神經刺激的保真度和應變SIB在支持未失真的電子轉移和傳輸過程中的魯棒性。從中樞神經調節的角度來看，c-Fos蛋白在坐骨神經刺激的反應中顯著表達。此外，染色結果表明脊髓背角c-Fos表達的空間分布集中，這與疼痛等感覺信息的神經處理有關。圖 通過變形下IrOx-SIB刺激坐骨神經進行體內神經調節大多數導電材料往往是硬而脆的，而人體組織是軟而柔順的。因此，制造足夠柔順但不表現出性能損失或變形的導電生物材料是一個挑戰。作者團隊使用微裂紋薄膜策略構建可拉伸電子設備，使用了剛性導體的應變斷裂板層和包含垂直取向導線的輔助導電復合膜。當結構被拉伸時，剛性薄膜中的裂縫會擴大，但垂直取向的電線保持了裂紋板之間的連接。這種故意斷裂和橋接策略除了維護生物電極的性能外，其廣泛的材料適配范圍還提供了廣泛的應用潛力。將裂紋薄膜應用于可拉伸設備的主要挑戰是電阻隨應變而變化。也就是說，當材料被應變時，裂縫會擴大，為電荷流動留下曲折的路徑，從而增加面內電阻。為了克服這一限制，作者團隊使用導電填料整合正交導電通路，使面內電導率不再受應變干擾。這種恒定的保形接觸確保進出電極界面的電信號保持完整。為了證明這些效果，作者報告了各種應用，包括小鼠坐骨神經的體內神經刺激以及pH和選定化合物的體外電化學傳感。他們證明，在拉伸狀態下，生物電極以高保真度運行。值得注意的是，11月份，該課題組在Nature發表了使用一組毫米大小的磁體作為移動機器人實現了可訪問和適應性強的自動化病毒檢測。
Yichao Zhao, Bo Wang, Jiawei Tan, et al. Soft strain-insensitive bioelectronics featuring brittle materials. Science. 2022 Dec 16;378(6625):1222-1227.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn5142
