最新Science成果

一、导读

电子学与生物组织的连接是探测和驱动生物系统的基础。电化学和电过程中，需要材料来支持生物组织和电子学之间的相互作用，并满足组织施加的机械约束。合适的界面材料，有利于电化学过程中电子在生物电子-组织界面的转移和积累，用于原位刺激和传感。而电过程需要使用高导电材料保证电子传输信号路由和预期工作条件。从力学角度来看，模仿组织特性的材料，如拉伸性和柔度，实现高保真感测和刺激。这可以最大限度地减少组织功能的破坏以及由疤痕形成、引线断裂和组织损伤引起的植入物并发症的风险。同时，这些材料的电化学和电学性能可能会受到来自组织运动和复杂应变的影响。

临床用于生物电子-组织界面的高电化学性能的界面材料(如贵金属基材料)都是刚性的和脆性。柔性导体和可拉伸导体的最新进展开发了具有组织样机械性能的应变弹性器件，广泛拉伸同时能保持其电气连接。但当它们应用于电化学探测组织环境(包括离子生物流体周围)时，它们的性能由于应变或腐蚀等问题而变形。在具有相对较低的电导率的器件中，其中应变引起的电阻变化导致其与预期工作点(如激活电压)产生显著偏差，破坏了界面上的反应。特别是在高导电材料的器件中，这些材料在暴露于周围溶液后会迅速氧化(如银基纳米材料)，并且表面修饰改性，容易产生表面缺陷或孔隙。因此不能保证进行电化学反应所需的宽电压范围。

二、成果掠影

提高与组织相互作用的电子技术必须同时满足电化学、电学和机械领域的材料限制。近日，加利福尼亚大学Sam Emaminejad团队设计了一种分层架构复合设计，将应变产生的裂纹膜与应变隔离的界面外导电通路和界面内纳米线网络耦合，以消除应变对器件电化学性能的影响。报告创建了一个可拉伸、高导电性和应变不敏感的生物电极库，设计实现了可临床使用的脆性界面材料(氧化铱、金、铂和碳)。

相关成果以“Soft strain-insensitive bioelectronics featuring brittle materials”为题发表在国际顶级期刊Science上。

三、核心创新点

1.设计了一种分层的结构复合设计，将生物电子材料构型解耦为用于电子传递的界面元件和电子运输的互连元件。这种设计允许利用和耦合表面通道裂纹和各向异性的面外/面内电子传导，以消除应变对器件性能的影响。该设计进一步允许广泛的界面材料选择，包括脆性贵金属基材料。

2.创建了一个薄、柔性、可拉伸、高导电和应变不敏感的功能多样化生物电极(SIB)的库。将这些生物电极与不同的电化学探测方法(安培法、伏安法和电位法)配对，并演示了多种生物标志物和体内神经调节的应变不敏感传感。

四、数据概览

图1 柔性应变不敏感生物电极(SIB):结构、应变耗散机制及应用

图2 应变下Au-SIB性能的可视化和电化学表征

图3 用于电化学传感和刺激，具有脆性界面材料的SIB库

图4 变形的IrOx-SIB刺激坐骨神经的体内神经调节

五、成果启示

文章利用了不同界面材料的优越电化学稳定性和银纳米线的导电性，而不受其在可拉伸生物电子中界面材料的裂纹起裂应变和银纳米线的电化学不稳定性的固有限制。材料通过使用应变不敏感和各向异性的超导电薄膜组合，在不同的界面材料阵列上实现了应变不敏感性，高导电性和电化学稳定性。除此之外，通过解除机械约束，该设计策略可应用于实现整合不同领域的优越性能的集成材料，同时实现最大可实现的跨成分材料性能。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn5142

本文由张熙熙供稿。