將生物系統與電子設備相結合可以改變人類互動和感知周圍環境的方式，如為健康管理和環境監測提供數據收集的各類平臺。功能和感知增強發展的基礎是提供與生命結構親和的生物電子設備集成，同時最大限度地減少對宿主生物學功能的干擾。薄膜技術可用于制造符合生物表面宏觀形狀的柔性電子產品，但它們的塑料基材限制了水分和透氣性。電子紡織品使用纖維材料或纖維狀構建，可以提供舒適性和透氣性，但現有的電子紡織纖維尺寸通常在數百微米的范圍內，難以被整合入生物系統中。生命信息感知系統的發展還需要考慮與可持續性相關的問題。基于光刻的微納加工是能源和廢物密集型的，因為使用了有毒化學品，需要犧牲模板以及維護清潔環境。傳統纖維和紡織品的生產和加工也具有大量的碳釋放和水使用。此外，經歷動態轉變或化學污染物相互作用的設備功能化可能需要定期全面更新制造設備。近日，英國劍橋大學工程系的Yan Yan Shery Huang教授報告了通過有機生物電子纖維原位系留增強信息感知的技術。使用軌道紡絲技術，基于PEDOT：PSS和開放光纖網絡可以沉積在生物表面，包括指尖、雛雞胚胎和植物。使用定制的光纖網絡進一步創建可以記錄心電圖和肌電圖信號的皮膚電極、皮膚門控有機電化學晶體管以及觸摸和植物界面。這些纖維可用于耦合預制微電子和電子紡織品，并且纖維可以修復、升級和回收。Shery Huang的“生物界面”團隊，以生物工程研究為驅動力，專注于3D生物打印和生物制造，以實現可持續性的健康支持。研究主題包括（i）穩定的自修復材料；（ii）器官芯片和組織工程;（iii）將3D打印和人工智能交織在一起，以實現更低成本的臨床信息學。有機生物電子纖維基于PEDOT：PSS、透明質酸和聚環氧乙烷。作者團隊設計了一種軌道紡絲方法，以控制生物電子纖維在生命結構上的系留和圖案化。借助光纖系留的動態物理智能變形機制，在厘米大小的目標（如人的手指）上原位構建光纖接口。考慮到在 2-5 分鐘內創建的典型光纖網絡，總溶液使用量約為 2 至 5 μl，每個光纖網絡設備的總干質量輸入量估計為 0.1-0.3 mg。纖維系留工藝適用于一系列具有彎曲和不規則表面的各種生物物體，從人類頭發的寬度到指尖和雛雞胚胎。生物電子光纖系留過程對目標表面結構的擾動很小，通過懸臂實驗估計單根光纖系留的力在10μN范圍內。展示了含羞草，一種觸覺敏感的植物，在用大約 200 μN 的力輕輕觸摸時關閉，對纖維沉積過程沒有反應。進一步評估了纖維對生物相容性的機械影響，對外力和應力高度敏感的第 2 天雞胚胎在纖維沉積后 24 小時內表現出正常的生長速度和形態變化。實驗結果和理論分析表明，在目前的配方和紡絲設置下，有望形成數百微米以上的凸起和固體結構的緊密接觸以及各種地形特征。空間圖案化的生物電子纖維，以及它們在濕態下的機械可擦除性，為通過“加法”和“減法”模式創建原位圖案提供了可能性。指尖上的纖維電極，其接觸阻抗與報道微納加工金納米網相當。1 kHz時，光纖電極界面接觸阻抗在20-40 kΩ范圍內。生物電子光纖陣列采集的心電圖（ECG）信號與參比凝膠電極同時采集的心電圖信號一致。類似地，光纖陣列可以配置為獲取肌電圖（EMG）信號，并監測肌電圖信號振幅的穩定增加，以表示由于外部負荷而增加的骨骼肌肉的電活動。可修復性是將有機生物電子纖維作為暴露的瞬態電極系在一起的潛在優勢。故意損壞暴露的光纖會導致 1 kHz 時的纖維電極-皮膚接觸阻抗從 20 kΩ 左右增加到 50 kΩ 左右，從而影響 ECG 傳感性能。根據需要沉積新纖維，以修復纖維電極，而不影響現有的互連。生物電位采集接口已完全修復后，電極恢復原始接觸阻抗水平和心電圖傳感性能，只需少量材料輸入。作者團隊展示了指尖上生物電子纖維的器件和接觸格式的定制，以承受模擬日常指尖體驗的環境和“觸摸”擾動。測試的具體條件包括：（1）環境磨損至少6小時;（2）觸擊6000次以上，平均力在1.5N左右;（3）通過與平均法向力高達3 N的塑料表面接觸而產生的約25 m的干摩擦磨損;（4）模擬的“濕”或“熱”條件，沒有機械干擾。皮膚纖維圖案沒有表現出明顯的宏觀畸變，并且在界面接觸阻抗和心電圖采集方面性能沒有太大下降。但生物電子纖維的強度和機電性能受纖維水化水平的影響。因此，在潮濕的機械干擾下（如用水沖洗），指尖上暴露的生物電子纖維變得不穩定。通過用厚度約為 2 μm 的纖維素基薄膜封裝暴露的纖維接觸區域來提高穩定性。指尖上的整個纖維裝置可以承受至少十個循環的 30 秒流水沖洗。無底物的生物電子纖維圖案可用于各種定制的信息感知。如生物電子纖維構建的指尖電極，佩戴者（人-i）可以通過與另一個人（人-ii）裸露的手指或手腕之間進行物理接觸來檢測另一個人（人-ii）的心電圖。纖維電極采集的雙心電信號包含兩個人的心電圖特征：人-i的R峰指向上方，因為人-i的心電圖是從左手到右手測量的;而 人-ii 的 R 峰值指向下方，因為它是從右手到左手測量的。從纖維電極測量的雙心電圖信號與從個體驗證凝膠電極測量的重建復合心電圖信號顯示出高相關系數（P 值為 0.94）。在未來的工作中，先進的信號處理技術，包括機器學習和盲信號分離，可用于心電信號分離和從雙心電圖信號中識別其他次要峰。由于纖維陣列不含基質，并且開放的光纖網絡最大限度地暴露了皮膚表面，因此保留了志愿者的微妙觸覺，以便他們可以同時感受到皮膚下的血管脈動。由于PEDOT：PSS的半導體特性，光纖可以配置成有機電化學晶體管（OECT）。進一步在指尖上制造了一個透氣的皮膚門控OECT，其中皮膚區域充當柵極和無底物通道光纖陣列之間的電解質。當施加電壓時（30 秒），正電流流過光纖陣列，然后電流突然下降。在90 s處消除柵極電壓會導致電流的恢復，重復的柵極電壓脈沖會產生類似的電流響應，表明光纖陣列在開關過程中保持結構完好無損。進一步展示基于生物電子纖維（作為傳感元件）的自適應和可重構傳感系統，該系統可以與預制微電子或電子紡織可穿戴設備耦合。控制光纖方向 （θ） 的能力使設備能夠實現多功能互連，估計的圖案化精度在75%左右。單根光纖的連續性和外形尺寸支持小型電子設備的連接，例如無需粘合劑的微發光二極管 （LED）。對于微型LED，重量約為1.4×10?5N，在電路形成過程中由于重力和生物結構（如葉子紋理）的摩擦即可實現固定。因此，考慮到脫粘過程中每根纖維的破壞力約為3.5 × 10?5N，只需一根光纖就足以支撐一個micro-LED的重量。在植物上，分布式生物電子纖維可用于連接micro-LED，并可用作顯示器，以形成氨暴露水平升高的警告系統。氨是一種n型摻雜劑，它與生物電子纖維中的PEDOT：PSS相互作用，導致PEDOT：PSS聚合物主鏈的去摻雜。因此，micro-LED在氨暴露時不可逆地變暗。設計的生物電子纖維圖案拓寬了氨霧捕獲區域，同時不影響葉片表面光合作用的透氣性和透光率。生物電子纖維可以通過將光纖路徑重新布線到原始電接觸連接上來修復陣列受損，而不會進一步擾動活體結構。這種無掩模的直接圖案化支持生物結構的原位傳感界面修復和重建，破壞最小，材料使用量極小。最后，演示了光纖系留策略與電子紡織可穿戴設備之間的接口兼容性。在這里，生物電子纖維被直接拴在用金屬導電紗線縫制的手套上。這種系留提供了一種干式界面耦合，大大降低了手套金屬紗線與人體皮膚之間的接觸阻抗，從而通過觸摸實現了生物電位傳感。之后，通過干燥的機械界面與電子紡織品耦合的生物電子纖維可以通過干刮從手套上去除并回收。生物電子光纖系留可以被認為是一種可持續的橋接技術，因為它提供了將一次性和多用途準永久性組件可能性。作者團隊報道了通過有機生物電子纖維的原位系留來增強信息感知。難以察覺的纖維是按需制造的，可以適應生命結構，而不會影響其生物功能。通過在原位纖維系留過程中利用預干溶液的粘彈性和表面潤濕特性，創建了跨生物曲率和不同尺度（如指尖和指脊）地形的傳感接口。原位光纖網絡連接方法克服了與預制接口相關的材料和格式限制。光纖系留工藝降低了對材料可拉伸性和復雜打印路徑規劃的要求，同時實現了剛性與柔性器件的耦合（例如將微電子耦合到植物葉片）。目前，生物電子纖維的拉伸性受到PEDOT：PSS和聚乙二醇（PEO）的固有材料特性限制。然而，通過修改光纖網絡的設計模式和相對于拉伸方向的方向，設備接口的循環拉伸性可以提高到15%左右。未來，通過與彈性材料結合，可以進一步提高纖維的拉伸性。此外，所得生物界面的功能和穩定性可以通過混合和匹配各種纖維材料（或纖維形式）來定制。如今，電子和傳感器的發展不僅需要關注提高設備性能，還需要考慮設備的整個生命周期以減少對環境的影響。用于制造有機生物電子纖維的原材料及其組裝的器件接口基于豐富的生物相容性材料，并且不依賴于貴金屬或供應鏈敏感來源。為每個設備形成光纖網絡所需的 0.1–0.3 mg 干質量輸入相當于機洗后 1 g 合成織物釋放的超細纖維質量。5公斤織物的典型機洗周期在耗水量和微粒生產方面產生的環境成本比制造5,000個生物電子纖維陣列設備還要大。因此，該生物電子纖維系留材料和工藝策略提供了一種低材料和低能耗的方法，以最小的環境影響增強信息感知。Wenyu Wang, Yifei Pan, Yuan Shui, et al. Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres. Nat Electronics. 2024 May 24.https://www.nature.com/articles/s41928-024-01174-4
