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柔电院发表综述文章:柔性无机生物电子器件研究进展


近日,浙江清华柔性电子技术研究院前沿研究中心在国际柔性电子领域顶级期刊《npj Flexible Electronics》(npj 柔性电子)上发表了题为《Flexible inorganic bioelectronics》(柔性无机生物电子器件)的综述文章。柔性无机生物电子器件突破了传统刚性器件的物理形态,能够实现对人体健康信息的精准、连续采集,在人体健康监测与公共卫生领域具有重要应用前景。文章聚焦柔性无机生物电子器件在人体生理信号,包括生理电信号、生物物理信号以及生物化学信号等健康监测领域的最新研究进展,系统讨论了材料、力学结构与器件设计在推动柔性无机生物电子器件不断向前发展中所发挥的重要作用,文章指出了柔性无机生物电子器件尚存在的挑战,为柔性无机生物电子器件的进一步发展提供了重要指导。


图1. 柔性生物电子器件贴附至人体不同部位可采集的信号及相关应用


人体蕴含着与健康有关的各种各样的信号,这些信号的精准、实时、连续与无创获取在人体健康监测领域有着重要的应用价值,如生理电信号用于疾病诊断、人机接口与基础神经科学研究;生物物理信号用于基础健康信息诊断;生物化学信号等用于精准评估人体生理状态等。而传统的刚性生物器件与人体软组织间存在着诸多不兼容,其带来的缺点主要有:所获取的生理信号质量低、无法实时和连续获取信号、生物兼容性差等。柔性无机生物电子器件突破了传统刚性器件的物理形态,可实现传感单元与人体组织的完美兼容,极大促进了人机物三元融合,进一步拓展了生理信号在线监测在人体健康管理中的应用前景。


该综述文章从柔性无机生物电子器件与柔性有机电子器件的对比出发,简要总结了柔性无机生物电子器件的材料设计、结构优化以及与之匹配的加工制备工艺,系统阐述了其在生物医学工程中重要应用前景。文章将人体生理信号分为三大类:(1)生理电信号,包括头皮脑电信号(EEG),皮层脑电信号(ECoG),外周神经电信号,心电(EEG),肌电(EMG)和眼电(EOG);(2)生物物理信号,包括人体的体温、应变、压力等信号用于基础健康信息诊断;(3)生物化学信号,包括血糖,以及生物体液如汗液、间质液、唾液、眼液或尿液等;分别讨论了柔性无机生物电子器件在应用人体生理信号进行疾病监测与治疗领域的重要研究进展。


图2. 柔性无机生物电子器件示意图,实现传感单元与人体组织完美兼容,用于生理电信号监测



图3. 用于监测肠鸣音(生物物理信号)的柔性声学传感器



图4. 基于电化学双通道(ETC)的血糖(生物化学信号)监测器件


最后,该综述文章指出了现有柔性无机生物电子器件存在的挑战与未来的发展方向,包括提高器件的集成化水平,设计监测与治疗的闭环控制系统,发展新型的柔性可延展传感单元、电路与电源系统,以及探索更多的生物医学应用等。另外,文章从工业化的角度重点指出了未来柔性生物电子器件需要解决大规模生产问题,同时建立相应产品的标准化评估方案。


浙江清华柔性电子技术研究院是清华大学探索多学科交叉与校地合作新模式的试点,是浙江省人民政府与清华大学共同打造的新型高端科研机构,致力于研究柔性电子技术及其大规模制造中的关键科学问题和共性技术问题,探索柔性电子技术在健康医疗、重大装备、物联网等领域的重要应用。


浙江清华柔性电子技术研究院助理研究员陈颖博士为文章的第一作者,冯雪教授是论文通讯作者。该项研究得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)和国家自然科学基金的资助。


论文链接:http://www.nature.com/articles/s41528-020-0065-1