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On-line Access: 2024-08-27
Received: 2023-10-17
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GB/T7714
Kaichen Xu, Seung Hwan Ko & Jun Chen. Advances in wearable and implantable bioelectronics for precision
medicine[J]. Journal of Zhejiang University Science D, 2024, 7(4): 383-387.
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《生物设计与制造》2024年特邀专辑 | 可穿戴和植入式生物电子研究进展及在精准医疗中的应用，文章目录与简介
随着人们对更高生活质量的不断追求，智能技术也在不断进步。柔性可穿戴和植入式生物电子设备作为传统刚性材料电子设备的一种创新补充，因其延展性、超薄和生物相容性等特点，能够无缝贴附在各种真实或人造组织、器官上。这些设备在持续健康监测、人机界面和治疗干预方面具有广泛的应用。它们可以动态跟踪周围环境变化，有效弥合人类、机器以及现实或虚拟空间之间的差距。通常情况下，这些设备基于压阻、电容、压电或摩擦电原理，实现物理、化学和电生理信息检测。为了构建这些高性能的多功能生物电子设备，多种加工方法已经被开发，结合新兴的多功能材料，能够形成敏感单元、互连和多级结构。
可穿戴和植入式生物电子领域的近些年研究进展不仅为基础研究开辟了新途径，而且对人类生活产生了重大影响。为了展现这一多学科研究领域的进展，我们组织了一期关于“可穿戴和植入式生物电子学”的特刊，收集了4篇综述文章、7篇研究文章和1篇简讯，涵盖了从功能纳米材料、先进制造到可穿戴和植入式传感器的工作原理以及治疗策略等主题（图1）。
功能纳米材料是高性能生物电子器件的构建基石。例如，Liang和Liu等人介绍了一种仿珍珠结构的MXene基薄膜，用于宽检测范围的压阻式压力传感器[1]。该传感器利用了MXene纳米片和纤维素纤维的结构优势，模仿了珍珠的“砖-泥”设计，具有宽压力范围（高达286.49 kPa）和较快响应/恢复时间（8.58 ms/34.34 ms）。可穿戴压力传感器在监测机器人运动和各种生理信号方面具有广泛应用。
同时，Zhang等人提出了一种通过电子回旋共振系统制造的石墨烯-金属纳米薄膜，用于高精度触敏屏幕[2]。电容式触摸传感器的工作原理基于纳米薄膜之间的电子捕获和极化效应。经过3000次弯曲循环后，屏幕仍保持良好性能，信噪比为41.16 dB，分辨率为650 dpi，在手写中文字符识别中达到了94.82%的准确率。
此外，Tran等人介绍了共轭聚合物（conjugated polymers, CPs）在可穿戴生物电子中的应用[3]。这些聚合物具有离域π电子系统，由共轭键结构和重复的化学单元组成。作者讨论了它们的导电性、生物相容性、机械稳定性、柔韧性、可拉伸性和溶液相加工性。为了提高传感性能，还介绍了它们在纳米结构和复合物方面的发展，包括共轭聚合物纳米线、纳米纤维、纳米管和多孔CPs。利用CPs作为基本架构，综述了自供电、可穿戴和植入式生物传感器的最新进展。
除了功能纳米材料，可靠的加工方法对于多功能生物电子应用也至关重要。光刻、图案转移、增材制造、溶液印刷策略和卷对卷等制备方法是必不可少的。制造多功能可穿戴和植入式设备通常涉及多种制造方法，以实现敏感单元、结构和互连电路。幸运的是，激光加工由于其多样的激光与物质相互作用机制，可以完成这些多功能制造任务。激光加工的模式主要包括增材、减材、等材制造。最近，Hong等人讨论了激光诱导石墨烯的进展，作为典型的传感制造方法[4]。对其他激光加工技术如纹理化、烧蚀、烧结、合成和退火也进行了总结。最后，他们展示了激光加工在各种可穿戴和植入设备中的应用，介绍了化学/物理传感器和能源设备。
通过复合制造方法和多种功能纳米材料，已经开发了各种可穿戴物理、化学和电生理传感器。特别地，应用于分析汗液、唾液和泪液等生物液体的电化学生物传感器引起了广泛的研究和产业关注。这些生物液体含有与人类健康高度相关的离子、蛋白质和氨基酸。例如，Wang等人展示了一种无串扰的双模式汗液微流体系统，用于裸眼汗液损失定量，分辨率为0.5 μL，总体积为11 μL[5]。将该微流体系统与氯化物传感器和柔性印刷电路板集成，实现了汗液损失和离子浓度的实时检测，而且不会产生串扰。这表明了在生物电子健康监测中，非侵入性精准汗液分析的重要性。
可穿戴生物传感器的优势之一是能够在非实验室环境中进行即时测试（point-of-care testing, POCT）。这种POCT策略无需技术人员或复杂的准备程序，在资源有限和偏远地区尤为适用。最近，Kim等人从传感机制和制造方法的角度，综述了与电化学生物传感器相关的 POCT 技术[6]。他们重点讨论了将各种生物识别元素如酶、抗体和适配体固定在电极表面的技术，全面分析了酶固定化方法的优缺点。此外，大多数可穿戴生物电子设备依赖电池供电，需频繁充电或更换电池以实现持续监测。幸运的是，摩擦电纳米发电机（triboelectric nanogenerators, TENGs）的出现，为自供电传感器提供了一种潜在解决方案，通过将机械能转换为电能。Mao等人综合介绍了可拉伸TENGs在可穿戴生物电子设备中的应用进展[7]。他们首先介绍了典型的工作原理，随后描述了实现可拉伸TENGs的两种解决方案，即制造本征可拉伸材料和设计可拉伸结构。实际演示包括基于TENG的可穿戴和可拉伸设备，用于人类健康监测如脉搏、身体运动和呼吸检测，以及人机交互如机器控制、触摸面板和虚拟现实。
另一个重要的柔性生物传感器类别是可植入设备，实现与心脏、神经和脑组织共形贴附，以探测电生理信号并进行疾病治疗。特别地，关于脑活动记录的神经科学研究因其在开发用于疾病治疗或沟通的脑机接口中的重要性，吸引了多学科的关注。一项主要任务是设计多通道神经探针。例如，Liu等人展示了一种用于原位监测脑中动作电位和Ca2+浓度的植入探针[8]。探针检测Ca2+灵敏度具有高选择性（100.7 mV/十倍）。12个铂黑装饰的微电极能够追踪神经元动作电位。结果表明，该探针能够同时追踪电生理信号和离子浓度。
此外，Cai等人设计并制造用多壁碳纳米管/聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）纳米复合材料16通道微电极阵列（microelectrode arrays, MEAs），用于快速准确地定位和检测帕金森病（Parkinson’s disease, PD）大鼠的下丘脑核（subthalamic nucleus, STN）[9]。结果表明，PD大鼠的STN神经放电比未受损的大鼠更高。此外，MEAs同步采集了STN及其上下边界核的神经信号，表明需要进一步研究深部脑核。
为了实现高时空分辨率的脑电信号，Feng等人使用层压结构设计开发了柔性超薄高密度电极阵列，克服了在有限空间内连接多个电极线的挑战[10]。800个电极的最小间距为15 μm。这个尺寸接近单个神经元，提高了从厘米到亚毫米级的癫痫病灶定位精度。这种高密度电极阵列为高精度脑电图采集提供了途径。
除了可穿戴和植入式生物电子设备的诊断能力外，治疗功能也可以集成到这些柔性系统中，用于持续和按需治疗。目前，包括电刺激、药物输送、热疗和光动力疗法等典型策略已经用于糖尿病治疗、伤口愈合、神经刺激和心脏治疗。例如，Yu等人展示了一种基于剪纸艺术的可穿戴热电设备（thermoelectric device , TED），具有优越的水蒸气渗透性（4.9 kg/(m²·d)）和一致性[11]。通过施加-0.50 A 或0.50 A的电流，可以将皮肤温度分别提高3.8 ℃或降低3.5 ℃。这种可穿戴TED在热疗和伤口护理等医疗场景中展现了巨大的潜力。
在植入应用方面，一个挑战是如何在应用于刺激和/或记录神经系统电活动的皮层电极时，避免细菌入侵和炎症反应。Huang和Li等人设计了一种基于细菌纤维素的水凝胶作为皮层电极的基材，封装了特定药物以抑制革兰氏阴性和阳性细菌的生长[12]。这显著缓解了使用治疗性皮层电极进行皮层电图记录时的细菌感染症状。
总之，我们希望本期关于可穿戴和植入式生物电子学的特刊能为广大研究人员带来灵感和见解。因此，我们呼吁来自材料科学、物理学、化学、机械工程、电气工程、光学工程、生物医学工程以及计算机工程等领域的多学科研究人员参与这一快速发展的领域。
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