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  近十年來，柔性電子技術(shù)蓬勃發(fā)展。得益于其質(zhì)地柔軟、貼合皮膚的特點，柔性電子設(shè)備已在人體可穿戴健康監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，極大提高了醫(yī)學(xué)診療的精確性、實時性和個性化。在實際應(yīng)用中，柔性電子設(shè)備需要用戶長期穿戴以實現(xiàn)健康監(jiān)測功能，不過在這一長期監(jiān)測過程中，設(shè)備面臨著多種不斷變化的環(huán)境條件（如機械力、溫度或濕度），這可能會導(dǎo)致柔性電子設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能受損，影響其工作的穩(wěn)定性與所采集數(shù)據(jù)的可靠性。因此，開發(fā)可在多種變化環(huán)境因素下工作的環(huán)境自適應(yīng)型柔性電子器件對于實際應(yīng)用具有重要意義。

  西安交通大學(xué)仿生工程與生物力學(xué)研究所（BEBC）圍繞“力學(xué)基礎(chǔ)理論-生物技術(shù)研發(fā)-應(yīng)用推廣”的學(xué)術(shù)理念，堅持將力學(xué)理論模型用于生物材料設(shè)計和實際的應(yīng)用場景中。長期以來，基于組織、細(xì)胞、分子尺度生物力學(xué)機制的研究基礎(chǔ)（Chemical Reviews, 2017, 117, 12764-12850. Advanced Materials, 2018, 30, 1705911. Nano Letters, 2019, 19, 5949-5958. Science Advances, 2020, 6, eaax1909.），開發(fā)類皮膚柔性電子器件并探索其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景（Advanced Functional Materials, 2016, 26, 165-180. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2017, 112, 1-22. Small, 2018, 14, 1801711. Materials Horizons, 2020, 7, 203-213. Advanced Materials, 2020, 32, 1904752.）。

  基于前期柔性電子開發(fā)的研究基礎(chǔ)，近日BEBC研究人員受邀在國際知名期刊Materials Today上發(fā)表以“The New Generation of Soft and Wearable Electronics for Health Monitoring in Varying Environment: From Normal to Extreme Conditions”為題的綜述文章。該綜述針對柔性電子設(shè)備在長期監(jiān)測過程中面臨機械力、溫度和濕度三種環(huán)境挑戰(zhàn)（圖1），總結(jié)了近年來基于材料創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)設(shè)計以保障柔性電子設(shè)備在多種變化環(huán)境因素下功能實現(xiàn)的研究成果。同時，介紹了在不同環(huán)境下柔性電子在可穿戴健康監(jiān)測、生物傳感、人機交互、能源供給等方面的潛在應(yīng)用，并進一步討論下一代柔性可穿戴電子設(shè)備開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)和機遇。

圖1. 人體活動所面臨的多種環(huán)境：從正常到極端的機械力、溫度與濕度環(huán)境。

1. 承受大幅度力學(xué)變形的柔性可穿戴電子

  人體活動常伴隨拉伸、壓縮、剪切、扭曲等力學(xué)變形（如肢體運動、心臟搏動、血管舒張等），這些力學(xué)變形的參數(shù)范圍為柔性可穿戴電子材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了具體要求。針對此，文章從完整性和功能性兩個方面介紹了用于人體健康監(jiān)測的柔性可穿戴電子在多種力學(xué)環(huán)境中所面臨的挑戰(zhàn)與相應(yīng)的設(shè)計策略：在設(shè)備完整性方面，總結(jié)了基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，如可用于提升柔性可穿戴電子延展性的二維平面結(jié)構(gòu)與超材料設(shè)計、提升可穿戴電子靈敏度的三維微結(jié)構(gòu)；在設(shè)備功能性方面，分別從生理信號監(jiān)測與生化信號監(jiān)測兩個方面總結(jié)了柔性可穿戴電子的設(shè)計策略，如基于剪紙工藝的可拉伸電極設(shè)計。最后，總結(jié)了柔性可穿戴電子在不同力學(xué)環(huán)境中的應(yīng)用，如可承受人體不同部位應(yīng)變的健康監(jiān)測設(shè)備。

2. 承受大幅度溫度變化的柔性可穿戴電子

  人類活動中面臨不斷變化的環(huán)境溫度，由熱到冷、由正常室溫到極端酷暑嚴(yán)寒，這種不斷變化的溫度條件給材料的耐久使用（如抗高溫、抗低溫性能）帶來挑戰(zhàn)。針對此，文章從結(jié)構(gòu)和材料兩個方面介紹了可承受大幅度溫度變化的可穿戴柔性電子的設(shè)計策略。以水凝膠柔性電子為例，在材料方面，有機溶劑、鹽與離子液體的引入均能提高材料的抗凍性能；在結(jié)構(gòu)方面，彈性體涂層對水凝膠的抗凍和抗高溫性能的提升可產(chǎn)生積極的影響；此外，綜合兩種設(shè)計思路可顯著提高水凝膠在不同溫度下的耐受性。基于這些設(shè)計方案，多種抗凍、抗高溫柔性可穿戴電子已被廣泛應(yīng)用于人體運動監(jiān)測與能源供應(yīng)領(lǐng)域。

3. 承受大幅度濕度變化的柔性可穿戴電子

  變化的濕度環(huán)境為柔性可穿戴電子的使用帶來挑戰(zhàn)，如干燥環(huán)境使得水凝膠柔性電子失水皺縮進而失去延展性與功能性，濕潤環(huán)境可能使得水凝膠電子發(fā)生溶脹導(dǎo)致不可控的形貌變化及表面結(jié)構(gòu)破壞。而作為采集信號可靠性的重要保障，器件與人體皮膚之間的有效黏附也會因潮濕環(huán)境中（如出汗）水分子在黏附界面的聚集而受到影響。針對這些問題，文章首先總結(jié)了人體活動所面臨的多種濕度環(huán)境，包含人體呼吸、傷口滲出液、汗液等內(nèi)部環(huán)境以及沙漠、游泳、淋浴、雨天等外部環(huán)境；并分別針對濕度環(huán)境對柔性電子設(shè)備完整性與功能性的影響，介紹了其設(shè)計策略；最后展示了柔性可穿戴電子在多種濕度環(huán)境下應(yīng)用于電子織物、智能敷料、可穿戴傳感器與人工肌肉等領(lǐng)域的前景。

  西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生牛艷和助理教授劉灝為本論文的共同第一作者，徐峰教授為通訊作者，文章共同作者還包括西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科任徽博士、空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院內(nèi)分泌科高彬博士、以及西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤內(nèi)科郭卉博士等臨床研究人員。作者專業(yè)領(lǐng)域涵蓋生物醫(yī)學(xué)工程、生物力學(xué)、化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等不同學(xué)科背景，充分展現(xiàn)了BEBC理論與實踐緊密結(jié)合的多學(xué)科交叉合作研究理念。該工作是BEBC基于多尺度（組織-細(xì)胞-分子）生物熱-力-電耦合研究思路，在組織尺度針對類皮膚柔性電子多場耦合研究上的又一重要研究進展總結(jié)。

  文章信息：Yan Niu¹, Hao Liu¹, Rongyan He, Zedong Li, Hui Ren, Bin Gao, Hui Guo, Guy M. Genin, Feng Xu. The New Generation of Soft and Wearable Electronics for Health Monitoring in Varying Environment: From Normal to Extreme Conditions. Materials Today. 2020. (DOI: 10.1016/j.mattod.2020.10.004)

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136970212030359X