软性生物电子设备是由软性、高分子基和混合电子材料制成的设备，与人体形成自然界面，因其在多模式生理监测和实时治疗中的巨大潜力，成为了研究热点。然而，传统生物电子设备通常是刚性且不可伸展的，与柔软且动态的组织和器官存在机械不匹配，导致组织损伤、免疫反应和慢性炎症等问题。此外，刚度的不匹配导致非贴合接触、粘附性差和脱层，妨碍电、化学、机械和光信号在体内外的有效传输。这些技术挑战限制了生物电子设备的功能性能、稳定性和可靠性。
为了解决这些挑战，斯坦福大学（Stanford University）鲍哲南教授等在Nature Reviews Bioengineering期刊上发表了题为“Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems”的最新综述。科学家们提出了使用软性和可拉伸材料来开发生物电子设备的方法。通过分子设计和材料工程，研究人员开发了具有低弹性模量的功能性电子聚合物及其与金属和无机纳米材料的复合材料。这些材料不仅柔软、可拉伸，还具备自愈能力、可降解性和透气性，能够更好地与人体组织和器官接口。例如，通过几何图案化薄层无机设备层为蛇形结构，实现了低弯曲刚度和可伸展性，从而在材料本身不可伸展的情况下达到了所需的柔性。
此外，研究人员还开发了集成独立软性生物电子系统的策略，从有线笨重仪器到定制印刷电路板（PCB）基混合系统、应变工程软集成电路和本质软系统。这些系统集成了无线通信、电源、测量电路、显示器、互连和封装层，显著提高了设备的功能性能和应用范围。
图1：基于柔软且可拉伸的有机电子材料和器件的全身健康监测系统。
图4：在皮肤仿生的生物电子设备中，无线通信和系统级集成策略。
本文探讨软性皮肤类生物电子设备在医学应用中的前景和挑战。首先，通过分子设计和材料工程策略，实现了具有皮肤类特性的软电子材料，如柔软性、可拉伸性和透气性，为生物电子设备与人体组织的自然接口提供了新的可能性。其次，文章强调了在设备制造和系统集成方面的技术创新需求，包括高性能半导体的开发、工艺控制的优化以及封装材料的选择。这些技术进步不仅能提升设备的稳定性和可靠性，还能促进生物电子设备向实际临床应用的转化。此外，文章还深入讨论了在提升设备性能的同时，如何平衡材料生物相容性和用户舒适性的挑战。
为了解决这些问题，未来的研究需要集中精力开发既具有高电子功能性又对环境敏感性低的渗透性材料。综上所述，通过综合化学科学和工程学的交叉应用，软性皮肤类生物电子设备将为个性化医疗和实时生理监测带来显著进展，推动医疗技术向更高水平的发展。
Zhao, C., Park, J., Root, S.E. et al. Skin-inspired soft bioelectronic materials, devices and systems. Nat Rev Bioeng (2024). https://doi.org/10.1038/s44222-024-00194-1
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