这篇Nature Electronics,没感觉!
阿经 奇物论 2024-06-06
图片

将生物系统与电子设备相结合可以改变人类互动和感知周围环境的方式,如为健康管理和环境监测提供数据收集的各类平台。功能和感知增强发展的基础是提供与生命结构亲和的生物电子设备集成,同时最大限度地减少对宿主生物学功能的干扰。薄膜技术可用于制造符合生物表面宏观形状的柔性电子产品,但它们的塑料基材限制了水分和透气性。电子纺织品使用纤维材料或纤维状构建,可以提供舒适性和透气性,但现有的电子纺织纤维尺寸通常在数百微米的范围内,难以被整合入生物系统中。

生命信息感知系统的发展还需要考虑与可持续性相关的问题。基于光刻的微纳加工是能源和废物密集型的,因为使用了有毒化学品,需要牺牲模板以及维护清洁环境。传统纤维和纺织品的生产和加工也具有大量的碳释放和水使用。此外,经历动态转变或化学污染物相互作用的设备功能化可能需要定期全面更新制造设备。
近日,英国剑桥大学工程系的Yan Yan Shery Huang教授报告了通过有机生物电子纤维原位系留增强信息感知的技术。使用轨道纺丝技术,基于PEDOT:PSS和开放光纤网络可以沉积在生物表面,包括指尖、雏鸡胚胎和植物。使用定制的光纤网络进一步创建可以记录心电图和肌电图信号的皮肤电极、皮肤门控有机电化学晶体管以及触摸和植物界面。这些纤维可用于耦合预制微电子和电子纺织品,并且纤维可以修复、升级和回收。

图片
示意图

Shery Huang的“生物界面”团队,以生物工程研究为驱动力,专注于3D生物打印和生物制造,以实现可持续性的健康支持。研究主题包括(i)稳定的自修复材料;(ii)器官芯片和组织工程;(iii)将3D打印和人工智能交织在一起,以实现更低成本的临床信息学。

图片

有机生物电子纤维的原位系留:
有机生物电子纤维基于PEDOT:PSS、透明质酸和聚环氧乙烷。作者团队设计了一种轨道纺丝方法,以控制生物电子纤维在生命结构上的系留和图案化。借助光纤系留的动态物理智能变形机制,在厘米大小的目标(如人的手指)上原位构建光纤接口。考虑到在 2-5 分钟内创建的典型光纤网络,总溶液使用量约为 2 至 5 μl,每个光纤网络设备的总干质量输入量估计为 0.1-0.3 mg。

纤维系留工艺适用于一系列具有弯曲和不规则表面的各种生物物体,从人类头发的宽度到指尖和雏鸡胚胎。生物电子光纤系留过程对目标表面结构的扰动很小,通过悬臂实验估计单根光纤系留的力在10μN范围内。展示了含羞草,一种触觉敏感的植物,在用大约 200 μN 的力轻轻触摸时关闭,对纤维沉积过程没有反应。进一步评估了纤维对生物相容性的机械影响,对外力和应力高度敏感的第 2 天鸡胚胎在纤维沉积后 24 小时内表现出正常的生长速度和形态变化。实验结果和理论分析表明,在目前的配方和纺丝设置下,有望形成数百微米以上的凸起和固体结构的紧密接触以及各种地形特征。空间图案化的生物电子纤维,以及它们在湿态下的机械可擦除性,为通过“加法”和“减法”模式创建原位图案提供了可能性。

图片
图 有机生物电子纤维的制造、变形和系留

皮肤电极定制:
指尖上的纤维电极,其接触阻抗与报道微纳加工金纳米网相当。1 kHz时,光纤电极界面接触阻抗在20-40 kΩ范围内。生物电子光纤阵列采集的心电图(ECG)信号与参比凝胶电极同时采集的心电图信号一致。类似地,光纤阵列可以配置为获取肌电图(EMG)信号,并监测肌电图信号振幅的稳定增加,以表示由于外部负荷而增加的骨骼肌肉的电活动。可修复性是将有机生物电子纤维作为暴露的瞬态电极系在一起的潜在优势。故意损坏暴露的光纤会导致 1 kHz 时的纤维电极-皮肤接触阻抗从 20 kΩ 左右增加到 50 kΩ 左右,从而影响 ECG 传感性能。根据需要沉积新纤维,以修复纤维电极,而不影响现有的互连。生物电位采集接口已完全修复后,电极恢复原始接触阻抗水平和心电图传感性能,只需少量材料输入。

作者团队展示了指尖上生物电子纤维的器件和接触格式的定制,以承受模拟日常指尖体验的环境和“触摸”扰动。测试的具体条件包括:(1)环境磨损至少6小时;(2)触击6000次以上,平均力在1.5N左右;(3)通过与平均法向力高达3 N的塑料表面接触而产生的约25 m的干摩擦磨损;(4)模拟的“湿”或“热”条件,没有机械干扰。皮肤纤维图案没有表现出明显的宏观畸变,并且在界面接触阻抗和心电图采集方面性能没有太大下降。但生物电子纤维的强度和机电性能受纤维水化水平的影响。因此,在潮湿的机械干扰下(如用水冲洗),指尖上暴露的生物电子纤维变得不稳定。通过用厚度约为 2 μm 的纤维素基薄膜封装暴露的纤维接触区域来提高稳定性。指尖上的整个纤维装置可以承受至少十个循环的 30 秒流水冲洗。

图片
图 定制的难以察觉的皮肤电极

无基材纤维,可实现难以察觉的感知增强辅助:
无底物的生物电子纤维图案可用于各种定制的信息感知。如生物电子纤维构建的指尖电极,佩戴者(人-i)可以通过与另一个人(人-ii)裸露的手指或手腕之间进行物理接触来检测另一个人(人-ii)的心电图。纤维电极采集的双心电信号包含两个人的心电图特征:人-i的R峰指向上方,因为人-i的心电图是从左手到右手测量的;而 人-ii 的 R 峰值指向下方,因为它是从右手到左手测量的。从纤维电极测量的双心电图信号与从个体验证凝胶电极测量的重建复合心电图信号显示出高相关系数(P 值为 0.94)。在未来的工作中,先进的信号处理技术,包括机器学习和盲信号分离,可用于心电信号分离和从双心电图信号中识别其他次要峰。由于纤维阵列不含基质,并且开放的光纤网络最大限度地暴露了皮肤表面,因此保留了志愿者的微妙触觉,以便他们可以同时感受到皮肤下的血管脉动。

由于PEDOT:PSS的半导体特性,光纤可以配置成有机电化学晶体管(OECT)。进一步在指尖上制造了一个透气的皮肤门控OECT,其中皮肤区域充当栅极和无底物通道光纤阵列之间的电解质。当施加电压时(30 秒),正电流流过光纤阵列,然后电流突然下降。在90 s处消除栅极电压会导致电流的恢复,重复的栅极电压脉冲会产生类似的电流响应,表明光纤阵列在开关过程中保持结构完好无损。

图片
图 难以察觉的感知增强辅助

自适应和可重构的光纤传感阵列和网络:
进一步展示基于生物电子纤维(作为传感元件)的自适应和可重构传感系统,该系统可以与预制微电子或电子纺织可穿戴设备耦合。控制光纤方向 (θ) 的能力使设备能够实现多功能互连,估计的图案化精度在75%左右。单根光纤的连续性和外形尺寸支持小型电子设备的连接,例如无需粘合剂的微发光二极管 (LED)。对于微型LED,重量约为1.4×10−5N,在电路形成过程中由于重力和生物结构(如叶子纹理)的摩擦即可实现固定。因此,考虑到脱粘过程中每根纤维的破坏力约为3.5 × 10−5N,只需一根光纤就足以支撑一个micro-LED的重量。

在植物上,分布式生物电子纤维可用于连接micro-LED,并可用作显示器,以形成氨暴露水平升高的警告系统。氨是一种n型掺杂剂,它与生物电子纤维中的PEDOT:PSS相互作用,导致PEDOT:PSS聚合物主链的去掺杂。因此,micro-LED在氨暴露时不可逆地变暗。设计的生物电子纤维图案拓宽了氨雾捕获区域,同时不影响叶片表面光合作用的透气性和透光率。生物电子纤维可以通过将光纤路径重新布线到原始电接触连接上来修复阵列受损,而不会进一步扰动活体结构。这种无掩模的直接图案化支持生物结构的原位传感界面修复和重建,破坏最小,材料使用量极小。

最后,演示了光纤系留策略与电子纺织可穿戴设备之间的接口兼容性。在这里,生物电子纤维被直接拴在用金属导电纱线缝制的手套上。这种系留提供了一种干式界面耦合,大大降低了手套金属纱线与人体皮肤之间的接触阻抗,从而通过触摸实现了生物电位传感。之后,通过干燥的机械界面与电子纺织品耦合的生物电子纤维可以通过干刮从手套上去除并回收。生物电子光纤系留可以被认为是一种可持续的桥接技术,因为它提供了将一次性和多用途准永久性组件可能性。

图片
图 适应性强、用途广泛且可重构的光纤耦合

小结:
作者团队报道了通过有机生物电子纤维的原位系留来增强信息感知。难以察觉的纤维是按需制造的,可以适应生命结构,而不会影响其生物功能。通过在原位纤维系留过程中利用预干溶液的粘弹性和表面润湿特性,创建了跨生物曲率和不同尺度(如指尖和指脊)地形的传感接口。原位光纤网络连接方法克服了与预制接口相关的材料和格式限制。光纤系留工艺降低了对材料可拉伸性和复杂打印路径规划的要求,同时实现了刚性与柔性器件的耦合(例如将微电子耦合到植物叶片)。

目前,生物电子纤维的拉伸性受到PEDOT:PSS和聚乙二醇(PEO)的固有材料特性限制。然而,通过修改光纤网络的设计模式和相对于拉伸方向的方向,设备接口的循环拉伸性可以提高到15%左右。未来,通过与弹性材料结合,可以进一步提高纤维的拉伸性。此外,所得生物界面的功能和稳定性可以通过混合和匹配各种纤维材料(或纤维形式)来定制。

如今,电子和传感器的发展不仅需要关注提高设备性能,还需要考虑设备的整个生命周期以减少对环境的影响。用于制造有机生物电子纤维的原材料及其组装的器件接口基于丰富的生物相容性材料,并且不依赖于贵金属或供应链敏感来源。为每个设备形成光纤网络所需的 0.1–0.3 mg 干质量输入相当于机洗后 1 g 合成织物释放的超细纤维质量。5公斤织物的典型机洗周期在耗水量和微粒生产方面产生的环境成本比制造5,000个生物电子纤维阵列设备还要大。因此,该生物电子纤维系留材料和工艺策略提供了一种低材料和低能耗的方法,以最小的环境影响增强信息感知。

参考文献:
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

加载更多
116

版权声明:

1) 本文仅代表原作者观点,不代表本平台立场,请批判性阅读! 2) 本文内容若存在版权问题,请联系我们及时处理。 3) 除特别说明,本文版权归纳米人工作室所有,翻版必究!
纳米人
你好测试
copryright 2016 纳米人 闽ICP备16031428号-1

关注公众号