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


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


不同于傳統的電子產(chǎn)品，可穿戴或植入式電子設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)，生物電子設備就像日常家居設備一樣，需要依賴(lài)具有高導電性且可以印上微細電路圖案的電極才能運作。


有見(jiàn)于此，由理大應用生物及化學(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)科研究團隊(成員來(lái)自理大時(shí)裝及紡織學(xué)院、生物醫學(xué)工程學(xué)系、應用生物及化學(xué)科技學(xué)系、智能可穿戴系統研究院和潘樂(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)克服了多項技術(shù)限制，研發(fā)了一種能應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，達到每平方厘米75,500個(gè)電極，比過(guò)往的技術(shù)多出數千倍。這些μLME具有長(cháng)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測動(dòng)物大腦的特定應用。

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


過(guò)去，生物兼容的電子設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。研究團隊成功突破這一瓶頸，通過(guò)光刻技術(shù)將電子線(xiàn)路放在纖維聚合物基質(zhì)上，獲得了如薄紙般柔軟、能在大應變下高度導電并具有長(cháng)期生物兼容性的μLME。

放在人類(lèi)手臂上的μLMEs(數字圖像)(LM負荷量，每平方厘米10毫克)


用作μLME導電組成部分的共晶鎵銦(EGaIn)是一種具有低熔點(diǎn)溫度、能在極端應變下保持導電性、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隊于2021年首次開(kāi)發(fā)，現在也被應用于新開(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)完全轉移。

從硅晶片轉移至SBS纖維墊的Ag微型掩模圖像(數字圖像)。


除了柔軟、可滲透液體和透氣性外，μLME還具有很強的可拉伸性，在高應變下反覆拉伸、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備本身具有龐大的市場(chǎng)潛力，應用范圍涵蓋生理監測、醫療診斷、互動(dòng)技術(shù)等領(lǐng)域，而此技術(shù)突破更將進(jìn)一步增強可穿戴電子設備的發(fā)展可能性。


為驗證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)行大腦監測的理想選擇，團隊還合成了具有小電極直徑和高通道密度的μLME陣列，用作充當老鼠大腦中的皮層電圖信號接收器。μLME具有與腦組織相似的機械性能，可緊貼皮質(zhì)表面、準確記錄神經(jīng)信號。當沉睡中的老鼠發(fā)出非快速眼動(dòng)睡眠時(shí)的典型可識別腦電波時(shí)，μLME陣列即能精確檢測到老鼠回應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研究院副院長(cháng)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到新高度的μLME微電極，克服了以往生物電子設備生產(chǎn)方法的技術(shù)限制，可推動(dòng)醫療和增強現實(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)醫療和增強現實(shí)等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。


該研究項目獲香港研資局“高級研究學(xué)者計劃”以及理大、香港城市大學(xué)、國家科學(xué)自然基金委員會(huì )、InnoHK創(chuàng )新香港研發(fā)平臺資助。團隊期望通過(guò)提高刻印μLME圖案的分辨率，進(jìn)一步推廣該項發(fā)明。