柔性电子导师录：首尔国立大学——Dae-Hyeong Kim教授

Dae-Hyeong Kim教授，2009年从伊利诺伊大学香槟分校获得了博士学位，师从John A. Rogers院士。2009年到2011年，他担任伊利诺伊大学香槟分校的博士后研究员。2011年他加入首尔国立大学，目前担任首尔国立大学化学与生物工程学院教授。课题组网站：http://flextronics.snu.ac.kr/Dae-Hyeong Kim教授主要致力于发展高性能的柔性可拉伸电子器件，其中包含高质量纳米级材料，实现新型多功能（1）生物医学和（2）光电子系统，这是Kim教授课题组目前主要从事两个研究方向。这篇微信公众号推送主要关注于面向生物医学的柔性可拉伸电子器件。方向一：其中首要任务是改进当前生物医学设备，进而发展前所未有的医疗系统来帮助患者。Dae-Hyeong Kim教授团队所研发的设备可以通过完全植入、微创和皮肤叠压的方法与人体集成，追求高分辨、高灵敏度的健康监测，通过实时数据存储、分析、诊断，来反馈治疗驱动/靶向材料输送的能力。开发超薄、安全、高效的电源模块是软生物电子学中的另一项关键技术。方向二：Dae-Hyeong Kim教授所关注的第二点是使用纳米量子点晶体、钙钛矿薄膜、二维纳米材料以及非常规器件技术来开发高性能柔性光电器件。比如超薄、透明的显示器，完全的图像传感器阵列和高效的光伏器件。

本文报道了一种与人体表皮在厚度、有效弹性模量、弯曲刚度和电子密度等方面相匹配的可穿戴电子器件。与传统的基于晶圆的技术不同，通过将该器件层压到皮肤上以形成共形的接触和充分粘附力（仅范德华相互作用），并且用户丝毫不会察觉到皮肤上器件的存在。该器件是结合了电生理、温度和应变传感器以及晶体管、发光二极管、光电检测器、射频电感器、电容器、振荡器和整流二极管的完整系统。其中，太阳能电池和无线线圈为整个系统提供能源。文章中，研究人员通过这种表皮电子技术测试了由心脏、大脑和骨骼肌产生的电生理活动，并表明所生成的数据包含足够的信息，这些信息可以用于非常规类型的计算机游戏控制器。

本文开发出一种用于高性能、可伸缩和可折叠集成电路的简单方法。该系统将无机电子材料（包括单晶硅纳米带的排列阵列）与超薄塑料和弹性体基底集成在一起。这些设计在硅互补逻辑门、环形振荡器和差分放大器中结合了多层中性机械平面布局和“波浪形”结构配置。研究人员对这些集成电路的力学和电子行为进行了三维分析和计算建模。总的来说，这些结果代表了通往设备的路线，例如个人健康监护仪和其他生物医学设备，这些设备在安装/使用过程中需要极高的机械变形，并且其电子性能必须接近在脆性半导体晶圆上构建的常规系统。

个性化医学设备具有巨大的潜力，可以解决紧急医疗情况下的临床挑战。尽管有这种潜力，但尚未开发出使用药物方法原位治疗致命性癫痫的装置。

本文报道了一种新型的神经系统医学紧急情况的治疗装置，使用柔性可植入药物输送装置（SID）的癫痫持续状态，一种致命的癫痫病，需要立即进行治疗。SID与可穿戴设备无线集成，用于监控脑电信号并通过无线电压感应触发皮下药物释放。由于无线集成，避免了使用笨重的刚性组件（例如传感器、电池和电子电路），从而实现SID的机械柔软性和小型化。快速治疗的功效可以通过体内动物实验证明，其中脑损伤得以减少，存活率得以提高。

通过人类皮肤上的柔性生物电子技术对汗液进行电化学分析，为无痛、无创血糖监测提供了新的途径。然而，基于汗液的葡萄糖感测仍然面临许多挑战，例如汗液收集困难，由于乳酸分泌和环境温度变化引起的葡萄糖氧化酶活性变化以及当暴露于机械摩擦和皮肤变形时酶分层。响应所测葡萄糖水平的精确即时护理仍然非常具有挑战性。

本文提出了一种可穿戴/一次性基于汗液中的血糖监测设备，该设备与反馈透皮给药模块集成在一起。精心的多层贴片设计和传感器的小型化提高了汗液收集和传感过程的效率。多模式葡萄糖感测以及基于pH、温度和湿度测量值的实时校正，可最大程度地提高感测的准确性。相同传感器的最小布局设计还可以实现带状一次性设备。用于反馈透皮治疗的药物被装载在两个不同的温度响应相变纳米颗粒上。这些纳米粒子嵌入透明质酸水凝胶微针中，并另外涂有相变材料。这样可以根据患者的葡萄糖水平进行多阶段、空间模式化和精确控制的药物释放。该系统为糖尿病的无创汗液管理提供了一种新颖的闭环解决方案。

由于其高的载流子迁移率、导电性、柔韧性和光学透明性，石墨烯是微电子和宏观电子学中的一种通用材料。然而，通过化学气相沉积合成的石墨烯中的电化学活性缺陷的低密度限制了其在生物传感中的应用。

本文研究表明掺杂金并与金网结合的石墨烯比裸石墨烯具有更高的电化学活性，足以形成基于汗液的糖尿病监测和反馈疗法的可穿戴贴片。这种可拉伸装置具有金网和金掺杂石墨烯的蛇形双层，可形成有效的电化学界面，以稳定地传输电信号。该贴片由加热器、温度、湿度、葡萄糖和pH传感器以及可热活化以经皮输送药物的聚合物微针组成。结果显示该贴片可以通过热驱动以释放二甲双胍并降低糖尿病小鼠的血糖含量。

在脑外科手术部位附近植入可生物降解的硅片，以通过绕过血脑屏障来递送靶向残留肿瘤细胞的抗癌药，已经成为治疗脑肿瘤的一种有前途的方法。但是，仍需要进一步改善预后效果。

本文在此提出用于向脑肿瘤递送药物的新型材料和装置技术，即与无线电子装置集成的柔性、粘性和可生物降解的载药贴片，可用于通过轻度热致动来控制颅内药物递送。灵活、双面设计的粘性/疏水性设备允许在脑外科手术部位进行保形粘附，并向大脑肿瘤提供空间控制的和暂时扩展的药物输送，同时最大程度地减少了意外泄漏到脑脊液的药物。整个设备的生物降解可最大程度地减少潜在的神经系统副作用。该设备在小鼠模型上的应用证实了肿瘤体积的抑制和存活率的提高。在大型动物模型（犬模型）中的演示展示了其在人类应用中的潜力。

近年来，以导电纳米材料在弹性介质中的逾渗网络为基础的导电、可拉伸纳米复合材料成为了硬脆的传统金属材料（如金和铟锡氧化物）良好替代材料。这些纳米复合材料已被应用于电子皮肤、可穿戴生物电子和植入式生物医学设备。超长一维金属纳米线是这些导电纳米复合材料的良好填充材料，因为它们的高长径比降低了填充材料的逾渗阈值，导致了较高的电导率。可穿戴和可植入设备需要具有导电、可拉伸且生物兼容特性的材料。然而，由于导电性和延伸性不可兼得，要获得同时满足这些要求的复合材料是具有一定挑战性的。

本文报道了一种由超长的镀金银纳米线在弹性嵌段共聚物基体中组成的Ag-Au纳米复合材料。由于Ag-Au纳米线高的长径比和逾渗网络，纳米复合材料的电导率最高可达41850 S cm-1（最大为72600 S cm-1）。在溶剂干燥过程中，Ag-Au纳米复合材料中的相分离产生的微结构产生了266%的最佳伸长率（最大为840%）。沉积在银纳米线表面的厚厚的金鞘防止氧化和银离子浸出，使得复合材料具有生物相容性和高导电性。利用这种纳米复合材料，该团队成功地制作了可穿戴和可植入的柔性生物电子器件，可以与人的皮肤和猪的心脏共形地集成，用于连续的电生理记录以及电和热刺激。

高导电性和本质上可拉伸的电极是柔性电子设备的重要组成部分，例如可拉伸的晶体管和电路、传感器和致动器、发光二极管阵列以及能量收集设备。具有出色的电气和机械性能的多种导电纳米材料已与弹性体集成在一起，以生产可拉伸的导电纳米复合材料。因此，了解这些纳米复合材料的特性并评估其制造可行性对于开发高性能可拉伸导体和电子设备至关重要。

这篇综述在此基于弹性体介质中纳米级导电填料的渗透网络，总结了可拉伸导体的最新进展。讨论了导电填料的材料、尺寸相关的特性及其含义，然后重点介绍了用于降低导电填料材料之间的接触电阻的各种技术。此外，作者基于其聚合物链结构将具有不同拉伸性和机械性能的弹性体基质分类。然后，讨论了可拉伸导电纳米复合材料的制造技术，并将其用于柔性电子产品中。最后，作者提供了可拉伸设备应用的代表性示例，并以对未来研究的简要展望结束了本综述。

本综述首先从机械、光学、化学、电气和生物医学方面总结2D材料的独特特征，然后根据上述每种独特的材料特性，将2D材料应用于柔性生物电子设备的应用示例。在各种2D材料中，这种特别关注石墨烯和MoS2。石墨烯和MoS2具有优异特性包括超薄厚度、易实现的功能化、大的表面体积比、生物相容性、优异的光吸收性和高透明性，从而可以开发出高性能的多功能柔性生物电子器件，例如可穿戴葡萄糖检测贴片、高度灵敏的湿度传感器，超薄触觉传感器、软神经探头、软视网膜假体、智能内窥镜和细胞培养平台。本文还提供了它们的特性和性能的简要比较。最后，本报告总结了基于2D材料的下一代柔性生物电子学的未来前景。

行业资讯