可拉伸电子产品的目的通常是将复杂的多功能设备与生物结构集成在一起。生物组织和电子之间的可靠相互作用需要建立在拥有良好电化学、电气与机械性能的材料上。电化学过程涉及电子在生物电子-组织界面处的电子转移和积累，需要使用合适的界面材料。电气过程涉及用于信号相关的电子传输和预期工作值，这需要使用高导电材料。从力学的角度来看，需要模仿组织拉伸性和顺应性，以实现高保真传感和刺激。然而，这些材料的电化学和电性能可能受到来自组织的运动和复杂形貌的应变的影响。因此，可拉伸电子产品的关键在于材料和设备布局，这些材料和设备布局能够以不妨碍电荷传输的方式适应应变。学界已经探索了许多方法来实现导电性和拉伸性的结合，通常遵循使导体具有弹性或使弹性体材料导电两个大方向。目前有四种广泛的策略已被用于制造用于生物医学应用的可拉伸设备。近日，美国加州大学洛杉矶分校的Sam Emaminejad教授率领其互联和集成生物电子实验室团队设计了设计了一种分层结构复合材料，就是上述第四种方式，将应变诱导裂纹膜与应变隔离的平面外导电通路和平面内纳米线网络结合，以消除应变对器件电化学性能的影响。制造策略基于具有良好电子传递特性的组织界面薄膜元件，使用可拉伸和高导电性的银纳米线(AgNW)为基础的网络互连元件，这些网络镶嵌在软橡胶状基质（聚氨酯丙烯酸酯，PUA）的表层。最后使用薄粘合剂和各向异性导电薄膜(ACF)无缝集成这两个元件。各种薄膜材料，包括那些脆性高但具有良好电化学性能（金、铂和氧化铱）的薄膜材料，可以通过薄膜沉积技术在ACF-AgNW-PUA结构（SIB）上进一步构建。SIB的应变不敏感性取决于三个特定层的应变能耗散机制：脆性界面薄膜的裂纹沟道；ACF层平面外导电通道的应变隔离；平面内AgNW网络的重新排列。利用界面裂纹沟道作为拉伸应变能的释放手段，每个破裂的碎片经历最小的应变，同时保持电连接。作为裂纹界面薄膜和AgNW-PUA层之间的电桥，ACF呈现应变不敏感的平面外导电，因为刚性导电微粒(约千兆帕)被周围的软基质(约千帕)应变隔离。底层的AgNWs形成平面内导电渗透网络，通过原位交联的方式锚定在软PUA衬底上。这种强结合使网络可以重新排列释放应变能。图 柔性应变不敏感生物电极（SIB）：结构、应变耗散机制和应用为了可视化和定量地描述SIB的应变不敏感性，相应地使用了电化学沉积染色、电阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)进行评价。有代表性的Au-SIB的裂纹碎片被完全“染色”，这表明在不同的应变水平下，与对照的Au电极相比，它们的导电性得到了保留。通过扫描电镜成像对裂纹碎片进行了表征，脆性界面层99%的表面积保持连接。循环拉伸研究表明，尽管反复拉伸Au-SIB的裂纹密度并没有增加，并且在动态拉伸期间，设备的电力学性能并未受到明显影响。EIS和CV表征结果表明，在应变作用下，SIB系统底层电化学和电气成分的变化可以忽略不计。应变SIB的阻抗谱在阻抗幅度(1 Hz至100 kHz)上没有统计学差异，电化学阻抗在1000次张力循环后变化很小。此外，未应变和应变SIB的CV图在20%到100%应变下表现出几乎相同的特征。除了Au之外，还可以使用薄膜沉积技术简单地将各种界面材料库整合到SIB结构中。将铂，碳和IrOx沉积到ACF上，作为常用脆性界面材料的示例，制备一系列具有应变不敏感界面电化学反应特征的SIB。选择铂作为界面材料的原因是它通常用作过氧化氢酶生物传感器中的传感层。不同H2O2浓度下Pt-SIB在松弛和拉伸状态下对应的安培响应相似，尽管存在裂纹，但应变对电流的影响很小。选择碳作为界面材料的原因是它在低浓度电活性生物标志物的定量中被普遍使用。研究应变对碳-SIB电极在差分脉冲伏安法检测对乙酰氨基酚中的影响。不同浓度的对乙酰氨基酚中，电极在放松状态和拉伸状态下测量到的DPV峰值电流也是相似的。选择IrOx作为界面材料的原因是它在生物电子学方面的巨大潜力。IrOx不仅具有良好的生物相容性，还能促进与周围氢离子的快速可逆氧化还原反应，从而实现大电流和可逆电流注入。后一点尤其支持IrOx在组织生物电子学应用。然而，由于其固有的脆性，IrOx不能轻易地设计可拉伸电极。IrOx-SIB用于电位pH传感和双相脉冲式神经刺激。IrOx-SIB响应与被测溶液的pH值相关，在静态和动态拉伸状态下，电极响应保持不变。未应变IrOx-SIB与40%应变IrOx-SIB的EIS测量结果相似，说明了其可以适配高低频刺激设置。在离体神经刺激表征方面的研究表明，IrOx-SIB在静态和动态拉伸条件下都能提供稳定电流。图 多种适配SIB的电化学传感和刺激的脆性界面材料IrOX-SIB的电化学和电学性能与临床使用的刚性袖带电极几乎相同，同时表现出类似组织的机械性能。但IrOx-SIB可最大限度地减少疤痕形成和免疫反应，同时即使在变形下也能提供有效的刺激。将这些生物电极与坐骨神经连接，以调节神经回路中的脊髓和肌肉。随着电压水平的增加，坐骨神经刺激导致双侧胫骨前部（TA）和胃内侧（MG）肌电图强度持续增加直至饱和。这一趋势表明，可用运动单元的同步招募增加，直至完全招募，是在低至~ 20mv的电位水平上实现的。坐骨神经刺激频率从1到100 Hz揭示了肌肉收缩的低通滤波特性。尽管被拉伸，IrOX-SIB诱导TA和MG肌电图具有与无应变设备相似水平的信噪比。施加的刺激频率与TA和MG肌肉收缩频率之间是一对一的比例。这些结果证明了神经刺激的保真度和应变SIB在支持未失真的电子转移和传输过程中的鲁棒性。从中枢神经调节的角度来看，c-Fos蛋白在坐骨神经刺激的反应中显著表达。此外，染色结果表明脊髓背角c-Fos表达的空间分布集中，这与疼痛等感觉信息的神经处理有关。图 通过变形下IrOx-SIB刺激坐骨神经进行体内神经调节大多数导电材料往往是硬而脆的，而人体组织是软而柔顺的。因此，制造足够柔顺但不表现出性能损失或变形的导电生物材料是一个挑战。作者团队使用微裂纹薄膜策略构建可拉伸电子设备，使用了刚性导体的应变断裂板层和包含垂直取向导线的辅助导电复合膜。当结构被拉伸时，刚性薄膜中的裂缝会扩大，但垂直取向的电线保持了裂纹板之间的连接。这种故意断裂和桥接策略除了维护生物电极的性能外，其广泛的材料适配范围还提供了广泛的应用潜力。将裂纹薄膜应用于可拉伸设备的主要挑战是电阻随应变而变化。也就是说，当材料被应变时，裂缝会扩大，为电荷流动留下曲折的路径，从而增加面内电阻。为了克服这一限制，作者团队使用导电填料整合正交导电通路，使面内电导率不再受应变干扰。这种恒定的保形接触确保进出电极界面的电信号保持完整。为了证明这些效果，作者报告了各种应用，包括小鼠坐骨神经的体内神经刺激以及pH和选定化合物的体外电化学传感。他们证明，在拉伸状态下，生物电极以高保真度运行。值得注意的是，11月份，该课题组在Nature发表了使用一组毫米大小的磁体作为移动机器人实现了可访问和适应性强的自动化病毒检测。
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
