鮑哲南是南京大學化學化工學院1987級學生，史丹福大學化學工程和材料科學和工程教授。她因發展有機場效應電晶體和有機半導體等技術而知名。2017年，她獲得了聯合國教科文組織頒發的世界傑出女科學家獎。
鮑哲南教授的研究領域包括功能有機高分子材料的合成、有機電子器件的設計與製造、有機電子器件的應用開發等。這些研究方向具有多學科交叉性，涉及的概念和專業知識包括化學，化學工程，生物醫學工程，材料科學和工程，物理，和電氣工程等。目前課題組感興趣的器件包括有機/碳納米管薄膜電晶體、有機光伏電池、化學/生物傳感器和分子開關等。這些器件一方面作為基本電荷傳輸和光物理研究的表徵工具，另一方面可用於納米尺寸電子器件、新型能源、低成本和大面積的柔性電路、顯示器和一次性傳感器等領域。
鮑哲南教授帶領的團隊與美國西北大學John Rogers教授團隊、日本東京大學Takao Someya教授團隊被公認為世界上最領先的三個柔性電子團隊。其主要鑽研方向為電子皮膚的設計與製備。她也是史丹福大學首位擔當系主任的亞裔女性，被譽為人造皮膚領域的「材料大師」。在創造了世界上首例用有機電晶體驅動的全新結構電子紙後，她領導研製的「靈敏」人造皮膚又創造了新的裡程碑，極大推動了機器人科學、人類皮膚移植術以及假肢感知力領域的進步。在未來，她還將繼續賦能人造皮膚，「讓人類更加人性化」。
近期，我們簡要梳理了鮑哲南教授課題組2020年部分發表於頂刊的研究成果，其中包括Science（2），Nature Reviews Materials（1），Nature Biotechnology（1），Nature Energy（1），Science Advances（1），Nature Communications（1），PNAS（2）主要分為以下幾個方面：
一、電子皮膚
二、生物（醫療）功能材料設計與應用
三、電化學儲能
【電子皮膚】
1.Science:離子弛豫動力學，讓電子皮膚兼具溫度與觸覺感知
位於人類皮膚下的感受器可以對觸摸的物體進行感知，同時對物體的溫度有一個大致的感覺。而在人造皮膚材料中要實現這一點，則一直是一個挑戰。近期，史丹福大學鮑哲南團隊和浦項科技大學Unyong Jeong創新性地利用離子弛豫動力學原理，以簡單的雙電極電容的結構，製作出可以實現對溫度和應力同時響應的人造多峰受體。受體可以同時分辨出熱與機械信息。其中電荷弛豫時間用來衡量溫度變化，而歸一化電容則用來衡量應變。將這種受體做成10*10的陣列，即可實現像人類皮膚一樣具有溫感和觸感的電子皮膚。這種電子皮膚以最簡單結構，實現了複雜的功能，在該領域具有裡程碑的意義。該工作以題為「Artificial Multimodal Receptors Based on Ion Relaxation Dynamics」的文章發表在《Science》上（詳細報導：鮑哲南團隊最新《Science》：以最簡單的結構，製作出具有溫感和觸感的電子皮膚）。
人造多峰受體原理
2.Nature Communications:有機發光陣列，將皮膚顯示器變為現實
柔性（可穿戴）電子器件在生理監測、體內植入治療、電子皮膚等生物醫學領域有巨大的應用前景，是前沿科學研究熱點之一。人體的運動過程中，不可避免會導致電子器件發生不同程度的形變，這就要求可穿戴電子器件在具備良好電性能的前提下，兼具優異的柔韌性、可拉伸性。今年，史丹福大學鮑哲南教授團隊首次展示了一種完全可伸展的活性基質驅動有機發光電化學電池陣列，該陣列由溶液處理的、垂直集成的可拉伸有機薄膜電晶體有源矩陣驅動，這是通過化學正交和本質上可拉伸的介電材料的發展而實現的。並且該有機電致發光電池(AMOLEC)陣列可以很容易彎曲、扭曲和拉伸而不影響其器件性能。當安裝在皮膚上時，陣列可以承受30%應變下的重複循環。該工作證明了皮膚適用顯示器的可行性，為進一步的材料開發奠定了基礎。該研究以題「Fully stretchable active-matrix organic light-emitting electrochemical cell array」發表在國際知名期刊Nature Communication上（詳細報導：鮑哲南團隊《Nature》子刊: 皮膚顯示器變為現實！）。
可拉伸光圖案化電介質
3.PNAS:順應性傳感器助力假肢或機器人具有真人感覺
順應性感覺是人類皮膚的一個獨特特徵，對其進行開發並將其集成到人造皮膚上，可以為假肢或機器人系統提供類似人的感覺。然而，已有的四種傳感機制（轉換為數字讀取的電信號）的傳感器外部組件（精密光學測量組件等）體積龐大，因此將這些傳感器用於需求緊湊的外形尺寸的應用中仍然面臨著巨大的挑戰。基於此，史丹福大學的鮑哲南教授團隊報導了一種仿生的、薄順應性傳感器。為了模擬人類皮膚緩慢適應受體SA-I和SA-II的拉伸和壓力感應能力，研究人員將基於薄膜的應變傳感器（MBSS）耦合到壓力傳感器，以識別接觸的材料。實驗結果證實，該混合傳感器可以同時捕獲所接觸材料的表面變形和所施加的壓力。通過利用基於電阻和電容的傳感器，研究人員為MBSS開發了兩種不同的傳感方法。例如，當分別測試模量為75 GPa和20 kPa的材料時，電阻傳感器的靈敏度為11 Ω/N和104 Ω/ N。同樣，對於類似材料，電容式傳感器的靈敏度分別為80 fF/N（femtofarad Newton）和1280 fF/N。同時，還展示了通過減小薄膜的厚度可以調節傳感器的靈敏度，尤其是需要更高的解析度時。此外，傳感器的薄型和小尺寸使其能夠應用於不同的應用中。首先，將傳感器集成到機械手的手指上，並能確定抓握物體的順應性。其次，通過構建陣列傳感器能夠繪製出由不同材料製成的物體的表面圖，對於檢測組織內部的不規則物體（如腫瘤）非常有用。（詳細報導：鮑哲南團隊《PANS》：人造皮膚突破性進展！順應性傳感器助力假肢或機器人具有真人感覺）
檢測材料的順應性
【生物（醫療）功能材料設計與應用】
1.Science:在活體中進行功能材料的基因靶向化學組裝
多細胞生物系統（例如大腦）的結構和功能複雜性超出了人類設計或組裝能力的範圍。導電高分子材料傳統上是在體外合成後應用於培養細胞或體內植入，通過體外注射或者植入的方法將導電聚合物整合到體內組織中，但是缺乏對細胞和組織器官的靶向性的體外植入，美國工程院院士光遺傳學之父Karl Deisseroth和鮑哲南等強強聯手，在Science上發表文章報導了在神經元中組裝導電高分子材料的遺傳靶向方法。這種方法通過整合工程酶靶向技術和高分子化學，從遺傳上指導了特定的活神經元，以指導質膜上電功能（導電或絕緣）聚合物的化學合成。電生理和行為分析證實，功能高分子經過合理設計，以基因為靶標的組裝，不僅保留了神經元的生存能力，而且還實現了對自由活動動物的膜特性的重塑和細胞特定類型的行為的調節。這種方法可以在生活系統中創建各種複雜的功能性結構和材料。可以重塑神經元細胞膜的電特性，並實現特定細胞類型的細胞電生理信號和生物行為調節，例如控制神經元放電（詳細報導：神操作！光遺傳學之父Karl/鮑哲南聯手《Science》）。
細胞中功能材料的基因靶向化學組裝
2.Nature Reviews Materials: 多功能材料構築可植入/穿戴光學保健設備
許多基於光的診斷和治療設備在臨床上已被廣泛使用。近年來，得益於多功能材料的發展，人們也開發了很多可植入或可穿戴的光學保健設備。然而，光在體內的有限穿透深度也仍然這類設備所面臨的一個嚴峻挑戰。浦項科技大學Sei Kwang Hahn教授和史丹福大學鮑哲南院士合作綜述了關於可植入和可穿戴光學醫療保健設備的基本概念和相關實例；對構建下一代可植入和可穿戴的光學醫療設備來說至關重要的新型多功能材料進行了闡述，並討論了它們的臨床轉化前景；介紹了植入式光學保健設備的性質、診療功能以及應用；並對這一領域未來的發展方向如移動醫療和個性化醫療等進行了展望。
光學醫療保健應用的基本原理
3.Nature Biotechnology:植入體內的生物電子器件
調節神經系統的生物電子器件在治療神經系統疾病治療中的應用越來越廣泛，然而目前的可植入電子元器件的固定尺寸不能適應組織的快速生長並且可能損害發育。對於嬰兒，兒童和青少年，一旦植入的器械已經不能適應神經發育的需求，通常需要進行其他外科手術以更換器械，從而導致反覆的幹預和併發症的發生。儘管諸如迷走神經刺激器和腦深部刺激器之類的生物電子設備正在實驗室和臨床中積極地用於治療各種疾病，但是它們在生長組織中的應用受到其固定形狀的限制。雖然目前大量的對可拉伸的神經裝置的研究已顯示出其良好的生物相容性以及與周圍神經系統和中樞神經系統的無縫連接相互作用，但是即使彈性生物電子器件可以適應由器官和身體運動的動態變化引起的反覆應變，但在適應過程中不要求實質性壓力的情況下適應組織的發育生長仍然存在挑戰。例如，對於某些耐藥性癲癇患者（佔癲癇總人口的30％），可有效減少癲癇發作的植入式迷走神經刺激器在兒童（史丹福大學鮑哲南教授和Paul M. George教授等人通過可形變生物電子元器件的研究解決了這一局限，可形變電子器件以最小的機械約束適應體內神經組織的生長。相關成果以」Morphing electronics enable neuromodulation in growing tissue「為題，發表在國際頂級生物醫學期刊Nature Biotechnology上。（詳細報導：《Science》之後又有新突破！鮑哲南《Nature Biotech. 》: 可形變生物電子器件攻克體內植入難題）
可形變電子的設計與應用
4. Science Advances:用隱形眼鏡監控、治療糖尿病
智能隱形眼鏡是人體與可穿戴醫療電子設備之間的良好接口。目前對智能隱形眼鏡的診斷應用已經有了一部分研究，但是能夠結合實時生物特徵分析，並電子給藥的隱形眼鏡還沒有報導。韓國浦項科技大學Do Hee Keum等與史丹福大學鮑哲南教授課題組合作，開發了用於監測血糖和治療糖尿病性視網膜病變的智能隱形眼鏡。這款智能隱形眼鏡採用了一種生物相容的聚合物，包括超薄、靈活的電路和一個微控制器晶片，用於實時電化學生物傳感、按需控制藥物傳輸、無線電源管理和數據通信。在患有糖尿病的兔子模型中，研究人員通過測量淚液葡萄糖水平，以驗證常規的有創血糖試驗並釋放藥物來治療糖尿病性視網膜病變。該研究成功地證明了智能隱形眼鏡在無創持續性糖尿病診斷和糖尿病性視網膜病變治療中的可行性。
用於醫療診斷與治療的智能隱形眼鏡
5.PNAS: 細胞級解析度心電監測，守護人類健康
心房顫動（房顫）是最常見的心律失常。目前對房顫的治療和研究都被導管電極的低解析度和有限的檢測區域（僅能記錄心臟內部的電生理活動）所限制。為達到精準治療的目的，並驗證關於房顫成因的假設，必須要開發高解析度的心臟表面電生理活動檢測儀器和技術。針對這個問題，史丹福大學鮑哲南課題組與史丹福大學醫學院Anson M. Lee教授合作，指出解決上述挑戰的方法之一就是利用本徵可拉伸的導電高分子作為電極材料，製備高密度的直線形電極陣列。為實現上述目的，課題組採用了新開發的針對導電高分子的光刻技術對PEDOT:PSS進行加工，得到了大面積（100 cm2）的微米尺度電極陣列。在豬模型和兔模型實驗中，該電極陣列都提供了清晰、可靠、高密度的心電活動信號，為房顫的研究和治療提供了全新的工具。（詳細報導：史丹福大學鮑哲南團隊：柔性電子新突破！細胞級解析度心電監測，守護人類健康）
電極陣列製備過程
【電化學儲能】
1.Nature Energy:高能量、長循環鋰電池電解液的分子設計
電解液工程是鋰電池發展的關鍵。雖然最近的工作在改善鋰金屬的可循環性方面有了一定的進展，但是仍然缺乏一個合理的電解液設計方法。針對這個問題，史丹福大學崔屹、鮑哲南教授合作，合理加入-CF2-單元可得到氟化的1，4-二甲氧基丁烷作為電解液，並與1 M雙（氟磺醯基）醯亞胺鋰配對使用。該電解液具有獨特的Li–F結合力和溶劑化結構中的高陰離子/溶劑比，與Li金屬負極（庫侖效率為99.52％，並且在五次循環內能快速活化）和高壓正極（~6 V穩定性）具有出色的相容性。50 μm厚的Li|NMC電池在420次循環後仍保持90％的容量，平均庫侖效率為99.98％。製備的工業級無負極軟包電池（Cu|NMC811(LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2)）在100個循環後可達到約325 Wh kg-1的單電池能量密度和80％的容量保持率。這種能夠在標準濃度下形成單溶劑單鹽層的無負極鋰電池為高能量、長循環鋰電池提供了一種高效策略。（相關報導：「高分子」遇見「納米能源」！強強聯合，斯坦福「雙子星」崔屹和鮑哲南那些年的經典工作回顧）
電解液的設計理念與電化學穩定性
來源：高分子科學前沿
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