柔性电子大牛John A. Rogers、Takao Someya、鲍哲南、冯雪、段镶锋最新进展

Science：具有适应性和透气性的高度可拉伸范德华电子薄膜（Highly stretchable van der Waals thin films for adaptable and breathable electronic membranes DOI: 10.1126/science.abl8941）

电子系统与不规则软物体的共形集成是许多新兴技术的关键。加州大学洛杉矶分校段镶锋教授和黄昱教授团队等人报道了由交错二维纳米片与范德华界面组成的薄膜设计。在交错的纳米片之间，薄膜具有滑动和旋转自由度，以确保机械拉伸性和延展性。纳米通道的渗透网络，以赋予渗透性和透气性。独立式薄膜与生物软组织具有良好的机械匹配，能够自然适应局部表面形貌，并与具有高度保形界面的生物体无缝融合，使生物体具有叶栅晶体管、皮肤栅晶体管等电子功能。皮肤上的晶体管允许高保真监测和局部放大皮肤电位和电生理信号。

 图1 皮栅 VDWTF 晶体管的构建和性能表征

Sci. Adv.：用于监测血流速度的柔性多普勒超声装置(Flexible Doppler ultrasound device for the monitoring of blood flow velocity DOI: 10.1126/sciadv.abi9283)

血管重建手术后血栓形成和再狭窄可能导致并发症，如中风，但临床手段持续监测血管状况的方法是缺乏的。传统的超声探头是刚性的，对于术后皮肤脆弱的患者不友好。而基于热分析等的技术只提供相对的流量变化，检测深度较浅。在此，清华大学冯雪等人介绍了一种基于多普勒效应的柔性多普勒超声连续监测深埋动脉血流绝对速度的装置。该器件厚度仅1mm，重0.75g，可轻柔贴附于皮肤表面，并达到和临床大型超声设备相近的测量精度。当采用双光束多普勒方法时，避免了多普勒角对速度测量的影响。可穿戴多普勒设备具有提高重建手术后患者护理质量的潜力。

图2 多普勒超声装置原理图及设计

Adv. Healthcare Mater.：加速慢性伤口疗愈的柔性超声贴片(Flexible Ultrasonic Patch for Accelerating Chronic Wound Healing  DOI: 10.1002/adhm.202100785)

超声治疗是加速慢性创伤愈合的有效方法。但传统的超声探头不能适应创面，使用范围有限，治疗效果不稳定，应用不广泛。此外，液体偶联剂的使用增加了伤口感染的机会。清华大学冯雪等人提出了一种可有效治疗慢性创伤的柔性超声补片的设计与制作策略。将贴片中的压电陶瓷离散成若干线性排列的单元，这些单元集成在柔性电路基板上。采用薄水凝胶贴片作为包封层和偶联层，避免伤口感染，保证超声穿透。超声贴片柔软、轻，能完全附和治疗区域。贴片的弯曲使声束集中在弯曲圆的中心，实现了对目标处理区域的控制。对部分II型糖尿病大鼠进行了超声治疗实验，免疫组化(IHC)结果表明，超声通过激活真皮和表皮层的Rac1来加速伤口愈合。治疗结果表明，超声治疗的伤口愈合速度快于无超声治疗的伤口。愈合时间缩短约40%。 

图3 柔性超声贴片的原理、设计与制作

Adv. Healthcare Mater.：纳米网格电极高精度，连续，长期监测皮肤电阻(Highly Precise, Continuous, Long-Term Monitoring of Skin Electrical Resistance by Nanomesh Electrodes DOI: 10.1002/adhm.202102425)

经皮失水作为一种直接评价皮肤角质层屏障功能的方法已被广泛应用。然而，经皮失水不能长时间连续测量，也没有连续监测皮肤屏障功能的报道。东京大学Takao Someya教授团队等人报道了一种通过纳米网电极长时间持续监测皮肤电阻的方法，同时保持皮肤不抑制水分蒸发的自然状态。同时，测量的皮肤电阻纳米网电极和经皮失水显示一个高的负相关线性拟合。此外，在日常生活中，通过纳米网电极监测皮肤电阻30小时，成功地实现了皮肤生理功能的动态可视化。 

图4 SReM的长期测量及水分流失的比较

Adv. Sci.：抑制锌元素扩散增强超薄和高效的有机光伏的空气稳定性(Ultrathin and Efficient Organic Photovoltaics with Enhanced Air Stability by Suppression of Zinc Element Diffusion DOI: 10.1002/advs.202105288)

超薄(厚度小于10 μm)有机光伏(OPV)可应用于软机器人和可穿戴电子领域。超薄OPV的应用除了具有较高的功率转换效率外，在各种环境应力下的稳定性也是至关重要的。在本研究中，东京大学Takao Someya教授团队等人实现了高空气稳定性、超薄(≈3μm)具有高效率 (15.8%)和卓越的功率/重量比33.8W g⁻¹的OPV。采用动态二次离子质谱法检测锌离子从电子传输层氧化锌(ZnO)到光活性层界面的扩散，这种扩散导致了超薄OPV在空气中的降解。通过螯合策略抑制Zn的扩散，得到了稳定的超薄OPV，室温下在空气中放置1574小时后保持了89.6%的初始效率。轻量化稳定的OPV具有良好的变形性能，压缩率为33%的压缩-拉伸试验5000次后，初始性能保持率为87.3%。

图5 超薄OPV的功率重量比及拉伸和压缩

Adv. Sci.：皮肤界面的微型微流控分析和输送系统用于比色测量汗液中的营养素和通过皮肤提供维生素的供应(A Skin-Interfaced, Miniaturized Microfluidic Analysis and Delivery System for Colorimetric Measurements of Nutrients in Sweat and Supply of Vitamins Through the Skin DOI: 10.1002/advs.202103331)

营养物质在维持核心生理功能和预防疾病方面发挥着关键作用。输送这些营养物质和监测其浓度的技术可以帮助确保适当的营养平衡。外泌汗腺汗液是一种潜在的有吸引力的生物液体，因为使用皮肤集成微流体技术可以轻松地、无侵入性地从身体几乎任何部位捕捉汗液。美国西北大学John A. Rogers教授等人介绍了一种这种类型的微型系统，它可以简单、快速地比色法评估汗液中多种必需营养素的浓度，同时不需要任何辅助电子设备。一种直接与微流体集成的透皮贴片支持这些物质持续输送到身体,与传统实验室分析方法的测量结果进行了比较，验证了该平台的准确性和可靠性。人体测试揭示了汗液中这些营养素浓度的时间动态变化与血液中相应浓度的时间动态变化之间的相关性。在食用某些食物和饮料之前和之后进行的研究突出了监测营养平衡的实际能力，具有作为指导个性化饮食选择的基础的强大潜力。

图6 微型汗液微流控装置的示意图

Extreme Mechanics Letters：用于皮肤界面可穿戴设备和软机器人的人造可伸缩装甲(Artificial stretchable armor for skin-interfaced wearable devices and soft robotics DOI: 10.1016/j.eml.2021.101537)

像犰狳和穿山甲这样的动物有天然的盔甲，作为一种机械的形式来保护它们免受捕食者的伤害。在自然界中存在的几种类型的盔甲中，由薄的弹性体基板和重叠的硬鳞片组成的结构可以保护底层软组织免受物理冲击和局部应力，同时保持一定程度的自然运动所需的机械顺应性。在这里，美国西北大学John A. Rogers教授等人设计和制造了一类从这些自然系统中获得灵感的人造盔甲。优化过程包括对几个候选设计进行系统测试，以评估它们在不同类型机械应力下的机械稳定性。最终的平台为可穿戴电子设备和软机器人系统提供了高效的保护层，对其功能几乎没有限制。\

图7  ASA在表皮电子器件中的应用

JACS：可拉伸聚合物半导体的分子设计:当前进展及未来发展方向(Molecular Design of Stretchable Polymer Semiconductors: Current Progress and Future Directions DOI: 10.1021/jacs.2c00072)

可伸缩聚合物半导体在过去的十年里发展迅速，因为柔性电子产品需要材料实现舒适和柔软的像皮肤一样。通过合理的分子水平设计，可伸缩聚合物半导体薄膜现在能够保持其电气功能，即使受到重复的机械变形。此外，它们的载流子移动性与最好的柔性聚合物半导体相当，有些甚至超过了非晶硅。其中关键的进步是分子设计概念，它允许多种应变能量耗散机制，同时在多种长度尺度上保持高效的电荷传输路径。在这篇文章中，斯坦福大学鲍哲南团队回顾了在保持高电荷载流子迁移率的同时赋予聚合物半导体可拉伸性的策略，其中的重点是控制聚合物链动力学和薄膜形态。此外，还提出了构建弹性半导体的分子设计考虑，构建弹性半导体是器件在可逆和重复变形下可靠运行所必需的。一种涉及诱导聚合物半导体纳米限制的通用方法引入到其他几个所需的功能，如生物降解性、自愈性和光致可移植性，同时增强电荷传输。最后，研究指出了未来的发展方向，包括推进对形态演化及其与应变下电荷输运变化的关系的基本理解，以及对具有高迁移率的应变弹性聚合物半导体的需求。

图8 聚合物半导体的组成与性质

AM：含有双金属纳米催化剂固定在纳米孔水凝胶中的智能隐形眼镜，用于长期和稳定的CGM(Bimetallic Nanocatalysts Immobilized in Nanoporous Hydrogels for Long-Term Robust Continuous Glucose Monitoring of Smart Contact Lens DOI: 10.1002/adma.202110536)

用于连续血糖监测(CGM)的智能隐形眼镜具有巨大的临床应用潜力。到目前为止，泪液血糖监测跟踪血糖水平的准确检测存在很大挑战。在这里，浦项科技大学 Sei Kwang Hahn团队联合鲍哲南等人通过将双金属纳米催化剂固定在智能隐形眼镜的纳米多孔水凝胶中，证明了可对糖尿病兔体内进行长期稳定的CGM。葡萄糖氧化酶氧化还原反应后，纳米催化剂促进过氧化氢的快速分解和纳米颗粒介导的电荷转移，并通过纳米多孔水凝胶的快速膨胀显著改善扩散。视觉葡萄糖传感器具有灵敏度高、响应时间快、检测限低、滞后低、传感器预热时间短等优点。在糖尿病兔身上，智能隐形眼镜可以检测撕裂血糖水平，与血糖计和CGM装置测量的血糖水平一致，反映出快速的浓度变化而没有滞后。人体CGM证明了智能隐形眼镜进一步临床应用的可行性。

图9 糖尿病监测用智能隐形眼镜示意图

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本文由junas供稿。