Nature Electronics |无感佩戴的纤维基电子皮肤（柔性半导体器件/柔性健康监测/电子皮肤/柔性传感/纤维器件）

英国剑桥大学Yan Yan Shery Huang课题组，在《Nature Electronics 》上发布了一篇题为“Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres”的论文，第一作者为王文宇博士（Wenyu Wang），论文内容如下：

一、 摘要

        利用电子技术对人类皮肤和植物表皮等生物结构进行功能和感官增强，可以用于创建健康管理和环境监测平台。 理想情况下，这种生物电子学界面不应阻碍其宿主固有的感觉和生理变化。在这里，作者提出通过原位系留有机生物电子纤维来实现对生物系统的无感增强。利用轨道纺丝技术，基于聚(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene的无基底和开放纤维网络可以原位附着到生物表面，包括指尖、小鸡胚胎和植物。作者使用可定制的纤维网络来创建可以记录心电图和肌电图信号的在皮肤上的电极，皮肤栅控的有机电化学晶体管以及增强的触觉和植物界面。作者还展示了这些纤维可以用于连接预制的微电子和电子纺织品，并且这些纤维可以被修复、升级和回收。

二、背景介绍

        将生物系统与电子设备相结合可以改变人类与周围环境互动和感知的方式，例如为健康管理和环境监测提供数据收集平台。在功能和感知增强的发展中，一个目标是提供与生物结构密切结合的生物电子设备，同时最小程度地干扰宿主的生物功能。薄膜技术可以用于创建与生物表面宏观形状相符的柔性电子器件，但其塑料基底（约3-10微米厚）限制了水分和透气性。电子纺织品使用纤维材料或纤维状器件，可以提供增强的舒适性和透气性，但现有的电子纺织品纤维尺寸通常在数百微米的范围内，阻碍了与生物的紧密集成。

        近年来，可拉伸电子技术、电子皮肤、纳米薄膜和纳米网格结构等方面取得了重大进展，导致了透气性和对人体皮肤机械上感知不明显的增强技术。然而，当面对生物结构的复杂表面和功能时，这种程度的不可察觉性仍然是一个挑战。特别是，生物孔道、感觉感受器和纹理特征等生物结构在大面积附着有限开放性的薄膜或组件时可能会被掩盖。此外，为了转移和部署预制设备所需的压力可能会阻止它们在对变形敏感的表面上的使用。

        蜘蛛在原位建造复杂的纤维网络，这些网络适应环境并且只需要最少的材料消耗。受到蜘蛛网的启发，生物结构可以用基于可设计的开放网络体系结构的生物电子学来增强，这种体系结构使用单独的微尺度纤维作为构建块。这样的网络可以通过可调节的纤维数量密度、方向和形态来附着在生物结构上（图1a）。3D打印被认为是一种环境友好的制造方法，可以按需制造。但是目前最先进的原位打印分辨率仅限于数百微米，这会影响生物界面上的器件不可察觉性。另一方面，现有的纤维生产方法，如湿法纺丝、熔融纺丝或静电纺丝，可以大规模生产微米和纳米级纤维，但缺乏先进的生物电子功能。由于微米级纤维的低弯曲刚度和表面粘附性较低，具有开放结构预功能化的纤维网络很难操作，并且不能轻松转移和附着到目标物体上。纤维网络的原位生成是可行的，但现有技术得到的是具有随机纤维叠加的微米和纳米网格，缺乏对纤维图案、表面接触和中等尺度网络开放性的控制（图1b）。

        作者利用聚(3，4-乙二氧基噻吩基)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)溶液制备的纤维进行原位系留形成有机生物电子纤维器件实现无感增强生物结构。该方法制备的纤维界面可升级且能修复<