综述：从体外到体内：剪纸技术在医疗器械中的多样化应用

这篇综述系统阐述了剪纸（kirigami）技术如何通过精巧的几何切割设计，结合现代制造工艺（如飞秒激光加工、3D打印等），赋予材料超拉伸性（>5000%应变）、可调负泊松比（auxetic behavior）和二维/三维重构能力，从而推动可穿戴健康监测（ECG/EMG/EEG）、植入式治疗（SMP支架、药物载体）及智能软体机器人等医疗器械的创新。文章重点解析了平行切割（parallel cutting）、正交切割（orthogonal cutting）等图案的变形机制（如拉伸屈曲buckling、旋转单元rotating units），并探讨了CO2 激光切割、光刻等技术在PVDF、PDMS等生物相容性材料中的应用，为医疗健康领域提供了跨学科解决方案。

　　

剪纸技术的医疗革命：从结构设计到功能实现

2D/3D变形机制与制备方法
剪纸技术通过精确切割基底材料（如PET、PI、PDMS）形成平行线性、Y型或螺旋形图案，触发独特的机械响应。平行切割在拉伸时产生面外屈曲，形成波浪状3D结构（如仿穿山甲鳞片的PET复合膜），其倾斜角θ与横向应变ε_T
和轴向应变ε_A
呈数学关联。而正交切割通过旋转单元实现面内拉伸，如碳布基软电池可耐受180°弯曲和90°扭转，适用于可穿戴电子。更复杂的中心对称切割（如蜘蛛网状同心圆弧）在热驱动下可形成金字塔结构，用于水滴收集或内窥镜扫描。制备技术涵盖工具切割（毫米级精度）、激光加工（微米级）和光刻（亚微米级），其中CO₂
激光切割改性纸基传感器能同步监测NO₂
气体和体温，兼具超疏水特性。

体外医疗设备的突破
在可穿戴领域，剪纸传感器展现出惊人的适应性。例如，PVDF压电薄膜经蛇形网格切割后，其临界应变提升至无图案设计的21倍，能精准捕捉膝关节运动；而AgNWs/PI正交切割电极在25%拉伸下电阻变化仅0.1%，优于无图案设计0.15%，可稳定记录吞咽肌电信号。电源设备方面，平行切割的PVDF-TrFE压电采集器植入猪心后，在84次/分钟心率下产生0.7V电压，为起搏器供能；kirigami超级电容器（PVA/KOH凝胶电解质）经1000次弯曲后电容保持率达90.85%。治疗设备中，仿蜘蛛丝蛋白/聚氨酯复合的微针贴片（kirigami平行切割）通过摩擦电刺激加速药物释放，而PLAP纤维膜（拉伸率831%）负载光热药物可实时监测伤口pH并杀灭细菌。

植入式器械的精准介入
剪纸结构在体内环境中展现出独特优势。Poly-p-xylene薄膜探针（圆形边缘设计）的杨氏模量（23kPa）比PDMS低32倍，能贴合跳动的小鼠心脏表面记录ECG信号。SMP分叉支架通过热触发从圆柱形重构为Y形，有效扩张狭窄血管；而kirigami药物支架（PI针状图案）在食管中形成突角嵌入黏膜，7天后仍检测到药物释放。生物电子膜（PLGA/磁性纳米颗粒电纺）可通过磁场调控神经元活动，治疗心律失常；光遗传学刺激器件则利用LED阵列和kirigami电极，精准控制心肌细胞的光敏蛋白表达。

智能应用的未来图景
剪纸技术与人工智能的结合催生了多模态人机交互系统。3D打印水凝胶手套（平行切割）通过莫尔斯电码识别实现水下机械臂操控；磁性kirigami软机器人（蛇鳞图案）负载能力达自重150倍，可在猪胃内递送传感器。仿真研究揭示了优化路径：ABAQUS模拟显示，V型切口尖端增加圆角半径可降低50%应力集中；机器学习辅助设计（如串联神经网络）能逆向生成具有加密功能的可编程kirigami结构。然而，动态生理环境中的材料疲劳、多物理场耦合建模精度等问题仍需突破，这需要材料科学、临床医学和计算科学的深度协作。