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On-line Access: 2022-01-14

Received: 2021-11-17

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Bio-Design and Manufacturing  2022 Vol.5 No.1 P.1-5

http://doi.org/10.1007/s42242-021-00179-8


Smart bioelectronics and biomedical devices


Author(s):  Nanjia Zhou, Liang Ma

Affiliation(s):  Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization of Zhejiang Province, School of Engineering, Westlake University, Hangzhou, 310024, China; more

Corresponding email(s):   zhounanjia@westlake.edu.cn, liangma@zju.edu.cn

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Nanjia Zhou, Liang Ma. Smart bioelectronics and biomedical devices[J]. Journal of Zhejiang University Science D, 2022, 5(1): 1-5.

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Abstract: 

《生物设计与制造》2022年特邀专辑 | 智能生物电子和生物医学器件,文章目录与简介

智能生物电子和生物医学器件的发展极大地推动了生物医学工程领域的发展,实现了从基础生物医学研究到临床医学和植入物的无数应用。站在材料科学、机械、电气和生物工程的交叉点,这个引人入胜的领域引起了世界各地研究人员的极大关注,提供了以前不可想象的全新医疗保健解决方案。从脑机接口到生物医学纳米/微型机器人,科学家们已经开发出不同的材料并设计出不同的制造方法来提升生物电子系统的功能,以满足对生物和仿生应用不断增长的需求(图1)。

用于生物电子和生物医学器件的材料

从材料的角度来看,生物电子学和生物医学器件主要由导电、介电和半导体材料以及软基板封装组成。这些可以通过电刺激和记录生物信号与人体交互的系统在新兴的神经科学和工程[1]、诊断[2]、治疗[3]以及可穿戴和可植入设备[4]中引起了极大的兴趣。生物电子学的制造结合了可变形电路的精心设计,刚性和平面半导体器件的集成以及柔软可拉伸的封装工艺,以实现与柔软的生物组织甚至生长的有机体更好的机械匹配,使它们与人体不断进行交互。

生物相容性金属(如金)被设计成环形,使其可拉伸作为导电电路材料,通过“软光刻”技术将这些可拉伸电路与半导体进一步集成到薄而灵活的聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装[5];制造出的几种不同类型的生物电子器件,包括表皮触觉/化学传感器[6]、植入式心脏起搏器[7]、光电子[8]等,证明了它们在生物医学研究和潜在临床治疗中的应用。可降解金属和金属氧化物分别用作导电和介电材料,以及生物可吸收丝或聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA),可以制造瞬态生物电子学[9-12]。然而,在长期植入过程中,生物电子学和生物组织之间仍可能会形成疤痕组织,导致界面阻抗增加[13]。

由于水凝胶与生物组织的相似性、水渗透性以及在电气、机械和生物功能工程中的多功能性,水凝胶已成为制造下一代生物电子器件的有力候选者。无论是聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚(甲基丙烯酸-2-羟乙酯)(PHEMA)等合成高分子,还是多糖、明胶、蛋白质等天然高分子都可以用于合成生物相容性水凝胶。通过将氯化锂、氯化钠、氯化钾等电解质分子甚至两性离子分子进一步溶解到水凝胶基质中,可以实现离子导电[14,15]。这些基于离子导电水凝胶的电子器件也被称为离子电子器件,已在表皮传感器、人工轴突和软致动器中得到应用[16]。然而,它们的低导电性和离子导电性阻碍了它们在体内测试中的应用。

制造生物电子器件的另一类重要材料是两亲性导电聚合物,如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT/PSS)、聚吡咯(PPy)、聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)和聚苯胺(PANI)。与离子导电水凝胶相比,它们的高电导率使其在制造可植入生物电子学方面更有潜力,例如可以监测小鼠大脑电生理信号的神经探针[17],用于长期慢性电刺激和监测的植入式和可变形电子器件[18],以及细胞支架[19]等。

最近,通过将导电填料掺入水凝胶基质中合成的复合导电水凝胶已成为生物电子器件的另一种可替代的候选者。利用PEDOT/PSS、碳纳米管、石墨烯等导电材料的高电导率,以及水凝胶的柔软性和可拉伸性,复合材料可以表现出高达约50 S/m的高电导率和机械性能,可拉伸性高达约600%[20]。

生物电子和生物医学器件的新制造技术

从制造和结构设计的角度来看,传统制造方法依赖于纳米制造方法,例如光刻、电子束蒸发以及在柔性基板上溅射导电、电介质和半导体特征[21]。Rogers课题组发明了一系列与具有复杂逻辑功能的硅电子制造兼容的转移印刷工艺。多年来,已经展示了一系列转移打印系统,例如大脑皮层映射、心脏电生理学[22]等。为了克服通常与生物系统不兼容的平面器件几何形状的限制,最近的生物电子器件采用保形添加剂印模(CAS)印刷技术将复杂的硅电子器件转移到非平面上[23]。另一种重要的策略是使用机械引导屈曲[24, 25],它可以实现可扩展的高分辨率3D结构制造。为了符合生物组织或血管[26],柔性生物电子学也可以缠绕在各种大小的动脉周围,以准确测量血流。

作为传统纳米制造方法的替代方法,最近出现的增材制造方法具有低成本、快速原型制作和定制等优势。它们还允许对使用传统方法难以集成的许多材料进行图案化。在不同的添加剂方法中,丝网印刷和喷墨印刷是报道最多的方法,因为它们易于使用且历史相对较长[27]。大多数报道集中于低浓度介电和导电油墨的无掩模图案化[28]。利用各种功能材料,直写成型技术(DIW)最近已成为生物电子学和生物系统制造的多功能平台。Yuk等人[17]介绍了使用PEDOT/PSS墨水在小鼠背侧海马(dHPC)中进行电生理记录的3D打印软神经探针。对于多材料直写成型技术(DIW),Lind等人[29]展示了一个使用各种牺牲材料、弹性体、导电和介电材料进行药物反应研究的心脏微生理设备的示例。

聚焦新材料、设计和制造方面,我们组织了“智能生物电子与生物医疗器件”专辑,强调生物电子与生物医疗器件所涉及的生物设计和制造方面,包括新材料、设计、制造和应用。我们从Han等人的一篇社论开始[30]讨论了神经导管的增材制造。社论概述了增材制造在模拟神经组织细胞外基质(ECM)所需的拓扑形状、生物相容性和机械性能方面的优势,以及可印刷生物材料及其高分辨率加工的进展和挑战。

Huang等人的观点论文涵盖了用于血糖监测的微创生物传感器的主题,特别是使用微针技术,旨在安全准确地检测与糖尿病并发症相关的皮下微环境变化。

一系列研究文章随之而来。Huang等[31]开发了一种可伸缩的自供电生物传感器,集成了酶生物燃料电池作为自供电传感模块。乳酸和葡萄糖酶生物燃料电池(EBFC)传感器通过一系列喷涂和浇铸方法制造,以及光刻微流控装置可用于高效汗液收集和传感。Jing等[32]使用亲水导电聚多巴胺(PDA)掺杂的聚吡咯(PPy)纳米颗粒掺入二肽水凝胶,开发了一种新型导电透明二肽水凝胶墨水。这种策略允许材料具有良好的导电性和透明度,并能够应用于身体粘附信号检测。Li等[33]应用飞秒激光处理对Pt-Ir神经电极进行了超芯吸行为,从而大大提高了电性能和润湿性。由于激光加工实现的分层表面微/纳米结构,电极显示出增加的最大电荷存储容量,这使得它们有望用于临床神经电极。Wang等[34]设计了一类气动肌肉类致动器,称为高度模拟骨骼肌(HimiSK),由柔性矩阵中平行排列的收缩单元组成。收缩单元和柔性基质分别模拟肌肉纤维和结缔组织,在激活时实现3D驱动,并显示出类似于生物肌肉的内在力-速度和力-长度行为。Zeng等[35]通过设计形状记忆聚合物(SMP)的区域描绘和形状记忆特性,开发了一种仿生4D打印布局策略。Zhang等[36]开发了一种新型气动辅助雾化装置(PAAD),它可以在低压下均匀地输送活细胞。喷射的细胞保持高活力和分化,使其成为临床细胞治疗和伤口愈合的理想选择。Zhang等开发了一种使用数字光处理(DLP)进行快速抗生素敏感性测试的3D打印微流体梯度浓度芯片。获得的抗生素梯度浓度环境为临床环境中测量细菌对抗生素的敏感性提供了一种快速检测方法。Hesselmann等[37]提出了一种基于多轴离心工艺的膜组件3D灌封新设计,可以改善流动路径并降低滞留体积,最终提高人工肺的效率。最后,在新冠大流行期间,Park等[38]使用市售组件设计并测试了具有成本效益、可快速扩展的呼吸机(ALIVE Vent)。该解决方案可能会提供拯救生命的解决方案,尤其是对于资源稀缺地区的人们。

本期特刊还收集了五篇综述文章,涉及生物设计和制造的几个重要领域。Santoni等提供了有关生物打印主题的科学文献和专利的广泛展望,表明该领域正在迅速扩展。与Huang等的研究文章[31]相呼应,Heng等回顾了用于汗液分析的可穿戴柔性传感器。最近的研究集中在具有多种形状因数和材料的汗液传感器上。该评论还涵盖了不同的传感机制及其优势和挑战。Lim等[39]讨论了组织工程生物反应器设计的要求,应通过优化材料设计、传质、机械和电刺激来提供仿生生理平台。Lin等人[40]总结了具有能源效率和小型化优势的生物机器人这一令人兴奋的话题。这篇综述涵盖了近年来开发的生物混合机器人在电源、支持生物材料和结构方面的进展。最后,Willemen等人的工作[41]涵盖了各种3D和4D打印技术及其在制药领域作为药物输送系统和个性化医疗的应用。

希望本期特刊能够汇集不同角度的研究和观点,为不断发展的生物电子器件和系统领域带来新的见解,为该领域带来新的启发,拓展智能生物电子和生物医学器件的可能性适用于许多实际和临床应用。

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