植入式生物電子設(shè)備可以緊貼皮膚甚至放入人體,相信在未來(lái)將被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域,如醫(yī)療科技、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)等。


近日,理大研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種獨(dú)特的微電極,能適用于上述用途。相關(guān)研究成果已發(fā)表于國(guó)際科學(xué)期刊《Science Advances》。


不同于傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品,可穿戴或植入式電子設(shè)備的用料需要整合一系列特定性能——比如必須能拉伸自如、柔軟透氣,放置于人體后也不會(huì)讓使用者受傷或感到不適。不過(guò),生物電子設(shè)備就像日常家居設(shè)備一樣,需要依賴(lài)具有高導(dǎo)電性且可以印上微細(xì)電路圖案的電極才能運(yùn)作。


有見(jiàn)于此,由理大應(yīng)用生物及化學(xué)科技學(xué)系軟材料及器件講座教授鄭子劍教授牽頭的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)(成員來(lái)自理大時(shí)裝及紡織學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系、應(yīng)用生物及化學(xué)科技學(xué)系、智能可穿戴系統(tǒng)研究院和潘樂(lè)陶慈善基金智慧能源研究院,以及香港城市大學(xué)和香港心腦血管健康工程研究中心)克服了多項(xiàng)技術(shù)限制,研發(fā)了一種能應(yīng)用于植入式生物電子裝置的電極。它具有前所未有的柔軟度、可拉伸性和可滲透性,推動(dòng)了可穿戴科技領(lǐng)域的發(fā)展。

鄭子劍教授


該技術(shù)的關(guān)鍵步驟是將一種纖維聚合物通過(guò)靜電紡絲的方法放到銀質(zhì)微型電路圖案上,從而產(chǎn)生液態(tài)金屬微電極(簡(jiǎn)稱(chēng)“μLME”),它能夠以超高密度進(jìn)行電路圖案化,達(dá)到每平方厘米75,500個(gè)電極,比過(guò)往的技術(shù)多出數(shù)千倍。這些μLME具有長(zhǎng)期生物兼容性,穿戴在人體皮膚上觸感舒適,更已被證明可用于監(jiān)測(cè)動(dòng)物大腦的特定應(yīng)用。

高密度μLMEs(數(shù)字圖像),密度高達(dá)每平方厘米75,500個(gè)電極。


過(guò)去,生物兼容的電子設(shè)備均在多孔彈性體上制造,但其多孔而粗糙的基質(zhì)限制了電路圖案的分辨率,因此難以提高電極密度。研究團(tuán)隊(duì)成功突破這一瓶頸,通過(guò)光刻技術(shù)將電子線路放在纖維聚合物基質(zhì)上,獲得了如薄紙般柔軟、能在大應(yīng)變下高度導(dǎo)電并具有長(zhǎng)期生物兼容性的μLME。

放在人類(lèi)手臂上的μLMEs(數(shù)字圖像)(LM負(fù)荷量,每平方厘米10毫克)


用作μLME導(dǎo)電組成部分的共晶鎵銦(EGaIn)是一種具有低熔點(diǎn)溫度、能在極端應(yīng)變下保持導(dǎo)電性、柔軟且高度生物兼容的液態(tài)金屬合金。在制造過(guò)程中,用EGaIn制成的電路圖案會(huì)放在一片經(jīng)靜電紡絲而成的可滲透“纖維墊”上,該墊為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)——通過(guò)這一方法制造的電子設(shè)備柔軟、可拉伸,可供舒適地穿戴和植入。


這種超彈性纖維墊的概念由鄭子劍教授的團(tuán)隊(duì)于2021年首次開(kāi)發(fā),現(xiàn)在也被應(yīng)用于新開(kāi)發(fā)的μLME中。相比于采用不滲透基質(zhì)時(shí)僅能轉(zhuǎn)移部分電極微電路圖案,這種纖維聚合物基質(zhì)保證了來(lái)自銀模板的電極微電路圖案能通過(guò)光刻技術(shù)完全轉(zhuǎn)移。

從硅晶片轉(zhuǎn)移至SBS纖維墊的Ag微型掩模圖像(數(shù)字圖像)。


除了柔軟、可滲透液體和透氣性外,μLME還具有很強(qiáng)的可拉伸性,在高應(yīng)變下反覆拉伸、釋放后,其電阻僅會(huì)輕微增加。用μLME制作的電子貼片貼在人體皮膚上時(shí),受壓后只會(huì)留下微量殘留物,甚至沒(méi)有殘留物??纱┐麟娮釉O(shè)備本身具有龐大的市場(chǎng)潛力,應(yīng)用范圍涵蓋生理監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、互動(dòng)技術(shù)等領(lǐng)域,而此技術(shù)突破更將進(jìn)一步增強(qiáng)可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展可能性。


為驗(yàn)證μLME的柔軟度和可拉伸性能使其成為植入神經(jīng)介面以進(jìn)行大腦監(jiān)測(cè)的理想選擇,團(tuán)隊(duì)還合成了具有小電極直徑和高通道密度的μLME陣列,用作充當(dāng)老鼠大腦中的皮層電圖信號(hào)接收器。μLME具有與腦組織相似的機(jī)械性能,可緊貼皮質(zhì)表面、準(zhǔn)確記錄神經(jīng)信號(hào)。當(dāng)沉睡中的老鼠發(fā)出非快速眼動(dòng)睡眠時(shí)的典型可識(shí)別腦電波時(shí),μLME陣列即能精確檢測(cè)到老鼠回應(yīng)施加在身體不同部位電刺激而產(chǎn)生的體感誘發(fā)電位。


作為理大智能可穿戴系統(tǒng)研究院副院長(zhǎng)和潘樂(lè)陶慈善基金智慧能源研究院首席研究員,鄭子劍表示:“通過(guò)結(jié)合光刻技術(shù)和柔軟、可滲透的SBS纖維墊,我們‘解鎖’了分辨率和生物兼容性均達(dá)到新高度的μLME微電極,克服了以往生物電子設(shè)備生產(chǎn)方法的技術(shù)限制,可推動(dòng)醫(yī)療和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步?!?


鄭子劍教授相信,μLME微電極可推動(dòng)醫(yī)療和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。


該研究項(xiàng)目獲香港研資局“高級(jí)研究學(xué)者計(jì)劃”以及理大、香港城市大學(xué)、國(guó)家科學(xué)自然基金委員會(huì)、InnoHK創(chuàng)新香港研發(fā)平臺(tái)資助。團(tuán)隊(duì)期望通過(guò)提高刻印μLME圖案的分辨率,進(jìn)一步推廣該項(xiàng)發(fā)明。