柔性電子與複雜生物組織之間的3D界面

2020-12-16 石墨烯聯盟

近年來，柔性功能材料領域的發展使得生物電子器件獲得了類組織的力學特性，使得生物電子器件可以在醫學診療方面提供新的功能。然而，大部分現存的柔性電子器件是由平面工藝製備，難以與具有複雜三維結構的器官和組織形成完美集成的界面。近期，香港大學機械工程系徐立之教授團隊聯合華中科技大學數字製造裝備與技術國家重點實驗室黃永安教授團隊在《Advanced Materials》上發表了題為「3D Interfacing between Soft Electronic Tools and Complex Biological Tissues」 的綜述文章，對柔性電子-複雜生物組織三維界面相關研究進展進行了詳細討論。文章從柔性材料的選取和器官表面，器官內部，以及組織、細胞等不同層面上對生物電子界面的設計思路進行了綜述，並對其未來所面臨的挑戰進行了分析和展望。

對於柔性電子而言，可選取的柔性材料涵蓋了無機，有機以及複合材料。雖然矽等無機材料具有極為突出的電學特性，且已有成熟的製造方法，但其剛性和脆性的特點則需要利用額外的結構設計來適應器件在使用中的形變。其中，納米結構，包括納米粒子組裝體，納米薄膜和納米線，被廣泛應用。另一方面，PEDOT:PSS，PPy, P3HT等有機聚合物電子材料具有天然的拉伸適應性，從而在多數需要經受形變的電子器件中被採用。更進一步地，複合材料將CNT，金屬納米線，納米粒子等導電物質分散在PDMS，PU等彈性體基質中，從而獲得更加廣泛的材料選擇。

圖1 適用於柔性生物電子的無機材料

構建與複雜器官表面共形的三維界面：大腦和心臟等器官具有複雜不可展的三維表面，而將平面柔性電子貼合於表面時則會對原本的平面結構施加各向異性的，不規則的形變。在大部分情況下，減少器件構成材料的模量和結構的厚度可以減少應變能，從而達成與器官表面共形。可拉伸網格結構和剪紙設計進一步地減少了貼合器官表面所需的能量驅動。此外，三維成像和3D列印技術可以用於設計製造與器官表面個性化集成的生物電子器件。

圖2 與器官共形的剪紙設計和網格結構

構建與組織器官相互交織的三維電子界面：發展生物電子器件的其中一個初衷是讀取大腦的神經活動。然而，僅與大腦表面貼合的器件不能完整採集大腦活動信號。而損傷性的探針在植入以後會侵佔原本功能性組織的位置，破壞血腦屏障，從而導致器件-組織界面產生化學降解，相對運動，對大腦的損傷乃至過激免疫反應等一系列變化，並最終導致對器件功能和目標組織的損害。最小化探針大小和彎曲剛度，修飾探針表面等方法可以調節並減少上述的損害。多探針器件可以在多個位置讀取局部細胞活動並針對指定目標進行刺激。多功能神經探針可集成發光元件等，為光遺傳學研究提供便利，也可應用於生理信號的監測或藥物遞送等領域。可注射式的網狀的電子器件可實現對大體積腦結構的監測且對自然組織造成較小的損害。柔性與多孔的特點使得其能實現更小的生物排斥反應與相對移動，為實現長期穩定的腦-機接口提供了解決方案。

圖3 小型化的神經探針

構建適應細胞和組織內部的三維界面：體外實驗為基礎生理研究和治療方案的研發提供了簡化的，可控的環境。具有生物細胞和組織相容性的電子器件能提供實時監測和定向刺激，為生理學研究提供了更加廣泛和先進的技術選擇。近期對於具有細胞、組織的三維自適應性界面的柔性電子器件的研究使得其性能遠超傳統的器件。目前已經開發出可控尺度的細胞內信號探針，以及用於誘導、監測人造組織的電子支架等柔性生物電子器件。

圖4 用於細胞內信號探測的三維納米電子器件

本文通訊作者為香港大學機械工程系徐立之教授，共同通訊作者為華中科技大學數字製造裝備與技術國家重點實驗室黃永安教授。共同作者為香港大學博士生李禾耕、劉紅震、孫銘澤。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202004425

來源：高分子科技

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