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必看最新Nature系列綜述:可穿戴生物電子!

更新時(shí)間:2025-05-23點(diǎn)擊次數:119
穿戴式生物電子學(xué)是一種將電子設備與人體緊密結合的技術(shù),能實(shí)時(shí)監測健康狀況、輔助診斷、輸送藥物和刺激神經(jīng)。它通過(guò)高精度傳感器采集身體表面和內部的生理、生化信號,但傳統設備在貼合性和信號穩定性上存在不足。近年來(lái),研究正朝著(zhù)微納米級、三維結構方向發(fā)展,以增強與人體的貼合度和信號質(zhì)量。這推動(dòng)了先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,如3D打印、微針電極制作和多材料集成,使設備更柔軟、精準并能深入組織,大幅提升穿戴舒適性和數據準確性(圖1)。

圖1. 可穿戴生電子學(xué)的發(fā)展。

在此,浙江大學(xué)平建峰課題組介紹了3D制造技術(shù)的最新進(jìn)展,重點(diǎn)講述了一些能夠跨尺度、混合多種材料的制造方法。這些新技術(shù)有效解決了生物電子接口在空間結構復雜性和材料力學(xué)不匹配上的難題,讓設備更舒適地貼合人體,同時(shí)保證信號傳輸的精準穩定。為了推動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域的突破,跨學(xué)科合作至關(guān)重要,特別是將人工智能融入其中,有望帶來(lái)創(chuàng )新性的變革。未來(lái),如果能以低成本、可規?;姆绞街圃斐龈呔鹊纳镫娮釉O備,就有望在醫療健康、人機交互和個(gè)性化醫療等領(lǐng)域大放異彩。相關(guān)成果以“Three-dimensional micro- and nanomanufacturing techniques for high-fidelity wearable bioelectronics"發(fā)表在《Nature Reviews Electrical Engineering》上,第一作者為Peidi Fan。


3D微納米制造技術(shù)


高保真生物電子設備在醫學(xué)領(lǐng)域前景廣闊,但要實(shí)現精準貼合和穩定性能,必須具備三大要素:個(gè)性化設計以貼合人體組織、高縱橫比或復雜3D結構以適應微觀(guān)環(huán)境、以及柔性且生物相容的材料。然而,柔性材料加工難度大、精度低,且與剛性電子元件結合時(shí)易產(chǎn)生應力問(wèn)題。為應對這些挑戰,先進(jìn)的3D微納制造技術(shù)不斷涌現,推動(dòng)設備向高精度、多功能發(fā)展。目前常用技術(shù)包括增材制造,如FDM(圖2a)和DIW(圖2b),適合構建結構復雜、材料多樣的設備;電化學(xué)沉積(圖2c)實(shí)現原子級打印,但受限于工業(yè)速度;氣溶膠噴射打?。ˋJP,圖2d)適用于非平面高精度打印。光固化技術(shù)如SLA和DLP(圖2e–f)能快速打印高分辨率結構,CLIP(圖2g)則大幅提升速度并改善表面質(zhì)量;雙光子聚合(圖2h)具納米級分辨率,但成本高、速度慢。減材制造則更適合結構強度要求高的應用,如激光加工(圖2i)、微銑削(圖2j)和光刻技術(shù)(圖2k–l),可精密制造微結構但受限于設計自由度。模具復制類(lèi)的微模塑(圖2m–n)則通過(guò)軟材料成型實(shí)現柔性仿生結構,適合批量生產(chǎn)和復雜微結構復制。整體來(lái)看,各類(lèi)制造技術(shù)在精度、材料適配性、結構復雜度和量產(chǎn)能力之間各有優(yōu)勢,正共同推動(dòng)高性能柔性生物電子設備的快速發(fā)展。

圖2. 3D微制造和納米制造技術(shù)。

除了直接制造技術(shù),機械引導的3D組裝是一種通過(guò)力學(xué)差異將平面結構轉化為三維形態(tài)的間接制造方法,能夠快速、低成本地批量生產(chǎn)復雜3D結構,適用于多種材料和尺寸。這種方法包括滾動(dòng)、折疊、彎曲貼合和起皺等形式,可制造出螺旋、折紙、曲面貼附電路和花狀框架等多種結構,具有良好的柔性和適應性。盡管其幾何復雜度暫不及直接3D打印,但通過(guò)材料選擇、結構設計和外部控制手段,已逐步實(shí)現可編程、可逆形變,提升了設備與人體組織的匹配度。同時(shí),混合制造技術(shù)將剛性電子與柔性基底結合,兼顧舒適性與信號質(zhì)量,適用于高性能可穿戴設備。原位3D打印也正用于將傳感器直接打印在如肺部等動(dòng)態(tài)組織表面,具備自適應能力,顯著(zhù)提升生物-電子界面的穩定性。展望未來(lái),卷對卷印刷等大規模制造工藝將成為主流,因其能連續、低成本地集成多種關(guān)鍵工藝,實(shí)現柔性電子設備的工業(yè)化生產(chǎn)。

圖3. 2D到3D組裝技術(shù)。

高保真可穿戴生物電子器件的分類(lèi)與應用


高保真生物電子設備通過(guò)精密設計和3D微納制造技術(shù),構建出適應生物組織結構和力學(xué)特性的微納結構,從而實(shí)現更穩定、更清晰的信號采集,廣泛應用于醫學(xué)與神經(jīng)科學(xué)研究。根據結構特點(diǎn),這些設備主要分為三類(lèi)(見(jiàn)圖4):穿刺結構、微溝槽結構和3D貼合結構。其中,3D穿刺結構如微針陣列,可微創(chuàng )穿透皮膚,采集更深層的生理和生化信息,如血糖、乳酸等,同時(shí)避免疼痛和損傷(圖4a、4b)。微針還可集成傳感器用于疾病監測、電生理記錄和藥物輸送,適用于神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域。微溝槽結構內部具有精密通道,用于液體采集、分析和壓力感應,可實(shí)現如壓力、拉伸、流速等參數的高靈敏檢測,并應用于智能可穿戴設備,如智能隱形眼鏡、手套和手環(huán)(圖4c、4d)。3D貼合結構則模仿人體組織的柔軟特性,具備良好的柔性和拉伸性,能穩定貼合心臟、眼球、耳道等復雜曲面,提升信號質(zhì)量并減少噪音(圖4e–j)。這類(lèi)設備通過(guò)超薄設計、柔性互聯(lián)或可拉伸幾何結構增強貼合度,還可借助導電水凝膠、石墨烯墨水等材料實(shí)現更高性能的生物界面。隨著(zhù)3D制造技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展,未來(lái)這類(lèi)結構將更智能、更適應人體,推動(dòng)可穿戴醫療設備在健康監測、個(gè)性化治療和人機交互等領(lǐng)域的廣泛應用。

圖4. 高保真可穿戴生物電子設備的常見(jiàn)結構和應用。

展望


盡管3D微納制造技術(shù)為可穿戴生物電子設備帶來(lái)了巨大進(jìn)步,但目前仍面臨如制造精度高、處理速度慢、難以兼容柔性材料等挑戰,尤其是在實(shí)現穩定、高效的生物-電子界面方面。為解決硬軟材料在界面處的應力集中問(wèn)題,未來(lái)需推動(dòng)剛性與柔性元件的一體化制造,并優(yōu)化材料的力學(xué)性能與加工性能之間的矛盾。技術(shù)發(fā)展不能單獨進(jìn)行,材料科學(xué)、制造技術(shù)、生物工程、電氣工程和人工智能等跨學(xué)科協(xié)作是關(guān)鍵。未來(lái)的制造材料需具備多功能性,如導電、自修復或藥物釋放能力;制造技術(shù)也應實(shí)現多材料集成、自動(dòng)化及一體化功能,從而加快臨床轉化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。采用模塊化設計,可實(shí)現標準化生產(chǎn)與個(gè)性化定制并存。人工智能和機器學(xué)習的加入將進(jìn)一步提升制造智能化水平:AI可優(yōu)化材料選擇、模擬合成路徑、實(shí)時(shí)調整參數,并通過(guò)數字孿生實(shí)現虛擬建模與現實(shí)制造之間的高效聯(lián)動(dòng)。這種智能制造模式將推動(dòng)3D微納結構制造進(jìn)入更高精度、更高效率的新階段。