综述:任意表面生物电子共形策略

《npj Biosensing》:Conforming strategies for bioelectronics on arbitrary surfaces

【字体: 时间:2025年11月23日 来源:npj Biosensing

编辑推荐:

  这篇综述系统梳理了实现生物电子与复杂生物表面无缝贴合的理论模型与工程策略,重点阐释了 softness improvement(柔软度提升)、adhesion enhancement(界面粘附增强)及 Gaussian curvature mismatch reduction(高斯曲率失配降低)三大路径,为可穿戴与植入式器件的长期稳定监测提供了设计范式。

  
理论模型:从“贴不上”到“贴得牢”
传统刚性电子与皮肤、器官等生物表面存在毫米-厘米级曲率差异,导致界面间隙与运动伪影。作者先以二维正弦皮肤模型推导出共形判据:πh/(γλ)<16/E/(πEI),指出降低厚度(t)与弯曲刚度(EI)是首要突破口;继而用球面-薄膜 von Kármán 板模型给出非可展表面全贴合的临界半径比 R/R∝(λ/Eh),提示“越小越软越贴”。
柔软度提升:把器件做成“纸片”
  1. 厚度减法:5 μm 聚对苯二甲酸乙二酯(PET) epidermal electronics 可将接触阻抗从 90 kΩ 降到 24 kΩ;1 μm 聚对二甲苯基板把 OLED 总厚压到 3 μm,实现“隐形显示”。
  2. 去基底法:丝素蛋白牺牲层溶解后,留下 2.5 μm 网状电极与大脑沟回零距离,信号幅值提升 2 倍。
  3. 可拉伸几何:蛇形互连(serpentine)让金薄膜延展 54%;分形 Peano 曲线把双轴拉伸推到 30%;Kirigami 剪裁把薄膜变“弹皮筋”,最高 840 % 可拉伸。
  4. 纺织品:针织 S 形纤维赋予 500 % 应变;电纺纳米纤维-纳米网格(nanomesh)把透气孔径做到 10 μm,兼顾透汗与导电。
柔软材料:从“金属片”到“液体线”
  • 导电聚合物:PEDOT:PSS 掺入水性聚氨酯与山梨醇,模量从 2 GPa 降到 5 MPa,做成自粘干电极,可连续戴 1 周。
  • 纳米材料:Ag nanowire(AgNW)网络 100 nm 厚,透光率 90 %,做成“透明纹身”扬声器;Au-Ag 核鞘纳米线抗氧化,拉伸 840 % 仍保持 4×10 S/cm。
  • 碳纳米材料:单层石墨烯电子纹身(graphene electronic tattoo, GET)贴于指尖,触觉干扰低于 2 kPa;激光诱导石墨烯(LIG)+ 水凝胶 1 μm 层,实现“粘-拉-导”三合一。
  • 水凝胶:3D 交联网络模量 10 kPa,灌注 PEDOT:PSS 或离子液体,做成 10 μm 超薄膜,72 h 内脱水 <5 %。
  • 液体金属:EGaIn 熔点 15.5 °C,喷墨、手写、3D 打印皆可;部分氧化后表面张力降至 0.5 N/m,可直接“涂”出可呼吸电极,拉伸 1500 % 不断路。
界面粘附:向壁虎、章鱼、贻贝“拜师”
  • 微结构:仿壁虎微柱阵列干电极, adhesion force 1.3 N/cm;仿章鱼微吸盘阵列,水下 1.89 N/cm
  • 化学键:聚多巴胺(PDA)涂层引入儿茶酚基团,与组织胺基形成共价键,剥离力提高 5 倍;NHS-丙烯酸双面胶与组织胺基生成酰胺键,界面韧性 1000 J/m,可把应变传感器“粘”在跳动猪心。
高斯曲率失配:把“球”切成“花瓣”
非可展表面强制贴合会引入 ε∝(R/R) 量级应变。作者提出三招:
  1. 细分(subdivision):把球面切成 20 片“足球”截顶二十面体,应变下降 70 %。
  2. 自适应转印(adaptive fabrication):用气球或液态 Ga 做软印章,把无基底微器件“送”到角膜、牙根等任意曲面;原位 3D 打印导电墨水,在毛发区直接“画”出电极。
  3. 纤维电子(fibre electronics):1D 纤维取消可展性限制,轨道纺丝把 PEDOT:PSS 纤维“缠”在花瓣、鸡胚、指尖,实现无应变包裹。
未来战场:毛发区、刚性接口、无感电子
  • 毛发区:温度敏感生物凝胶(biogel)40 °C 涂刷,25 °C 固化,可穿 3 周,热水一冲即脱,EEG 信噪比提升 3 倍。
  • 软硬接口:Au 纳米粒子-SEBS 梯度模量接口,把软传感器与硬 PCB 的剪切应力下降 80 %;无线 RLC 谐振回路彻底取消物理连线,呼吸、眼压、血糖实时遥测。
  • 无感干预:10 μm 纳米网格把皮肤透气率保持在 90 %,汗液通过 3D 液体二极管单向导出,佩戴 8 h 无红肿;透明 GET 让光学干扰低于 1 %,真正“看不见”的电子皮肤已触手可及。
结语
当厚度逼近 1 μm、模量逼近 10 kPa、界面韧性逼近 1000 J/m,生物电子不再是“贴膏药”,而是与生命体共生的一层“智能细胞外基质”。从 Galvani 的蛙腿到今天的共形纳米网格,电子与生物的边界,正在一次次“贴合”中消失。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 急聘职位
  • 高薪职位

知名企业招聘

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号