清华大学冯雪《先进材料》：柔性混合电子技术开启数字健康大门

来源：高分子科学前沿

近日，清华大学冯雪教授课题组在国际材料科学领域知名学术期刊《Advanced Materials》在线发表了题为“Flexible Hybrid Electronics for Digital Healthcare”的长篇综述文章。文章系统综述了柔性混合电子器件的发展脉络，全面定义了柔性混合电子的概念，并聚焦柔性生理电器件、柔性光电器件、柔性声学器件、柔性类皮肤功能器件和柔性生化检测器件在数字健康医疗领域的应用进展，为柔性混合电子器件的进一步发展和医疗应用提供了重要的指导。

人体是巨大的信息融合体，包括生理电、光、声、生化、机械变形等生理信号，获取这些人体生理信息是实现数字化医疗的基础。传统刚性器件不能与人体完美集成，导致器件易受到运动伪影、外界噪音的干扰，不能精准感知人体微弱生理信号。柔性电子技术近年来随着先进材料、力学结构设计、新型制备方法的创新，得到了广泛的研究和应用，它颠覆性改变了传统无机固体器件刚性的物理形态，极大促进了人-机-物三元融合，给全球数以亿计的慢病患者带来了福音。

该综述文章从柔性混合电子技术在材料和结构方法的发展历史出发，总结了柔性混合电子实现的两种主要途径，其一是通过材料的创新，发展本征具有柔性或者可延展的电子功能材料，如有机半导体材料，纳米复合材料，液态金属以及有机导电聚合物等。而另一种方法是引入力学结构的设计，如经典的屈曲结构，可延展蛇形导线结构以及新型折纸/剪纸结构，通过结构的大转动小应变来适应外加荷载而保证材料本身不破坏。随后文章系统地阐述了柔性混合电子器件在生物医学方面的应用，包括柔性生理电器件、柔性光电器件、柔性声学器件、柔性类皮肤功能器件和柔性生化检测器件5个部分。

图1. 用于生理参数监测的柔性混合电子：柔性生理电器件、柔性光电器件、柔性声学器件、柔性类皮肤功能器件和柔性生化检测器件

典型应用包括：图2所示的一种能够在体温驱动下自动攀爬至外周神经束上的三维螺旋形缠绕电极，依靠自然粘附形成稳定且柔性的电极-神经束界面；图3所示的基于电化学双通道的柔性无创血糖测量器件，通过离子导入的方式改变组织液渗透压，调控血液与组织液渗透和重吸收平衡关系，驱使血管中的葡萄糖按照设计路径主动、定向地渗流到皮肤表面，从而实现血糖的高精度测量。

图2. 基于柔性混合电子技术的自攀爬三维螺旋电刺激器件

图3. 基于柔性混合电子技术的柔性无创血糖测量器件

清华大学冯雪课题组长期致力于研究超常规环境下力学和柔性电子技术，发展可延展／超柔性等超常规微器件与大规模集成技术，所发展的柔性电子技术用于健康医疗、智能感知及重大装备，近年来在Science Advances、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Journal of the Mechanics and Physics of Solids 等期刊发表一系列高水平论文。该项研究得到了国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家自然科学基金等的资助。