必看最新Nature系列綜述：可穿戴生物電子！

更新時(shí)間：2025-05-23

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穿戴式生物電子學(xué)是一種將電子設(shè)備與人體緊密結(jié)合的技術(shù)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)健康狀況、輔助診斷、輸送藥物和刺激神經(jīng)。它通過(guò)高精度傳感器采集身體表面和內(nèi)部的生理、生化信號(hào)，但傳統(tǒng)設(shè)備在貼合性和信號(hào)穩(wěn)定性上存在不足。近年來(lái)，研究正朝著微納米級(jí)、三維結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，以增強(qiáng)與人體的貼合度和信號(hào)質(zhì)量。這推動(dòng)了先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，如3D打印、微針電極制作和多材料集成，使設(shè)備更柔軟、精準(zhǔn)并能深入組織，大幅提升穿戴舒適性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性（圖1）。

圖1. 可穿戴生物電子學(xué)的發(fā)展。

在此，浙江大學(xué)平建峰課題組介紹了3D制造技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)講述了一些能夠跨尺度、混合多種材料的制造方法。這些新技術(shù)有效解決了生物電子接口在空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和材料力學(xué)不匹配上的難題，讓設(shè)備更舒適地貼合人體，同時(shí)保證信號(hào)傳輸?shù)木珳?zhǔn)穩(wěn)定。為了推動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域的突破，跨學(xué)科合作至關(guān)重要，特別是將人工智能融入其中，有望帶來(lái)創(chuàng)新性的變革。未來(lái)，如果能以低成本、可規(guī)模化的方式制造出高精度的生物電子設(shè)備，就有望在醫(yī)療健康、人機(jī)交互和個(gè)性化醫(yī)療等領(lǐng)域大放異彩。相關(guān)成果以“Three-dimensional micro- and nanomanufacturing techniques for high-fidelity wearable bioelectronics"發(fā)表在《Nature Reviews Electrical Engineering》上，第一作者為Peidi Fan。

3D微納米制造技術(shù)

高保真生物電子設(shè)備在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域前景廣闊，但要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)貼合和穩(wěn)定性能，必須具備三大要素：個(gè)性化設(shè)計(jì)以貼合人體組織、高縱橫比或復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)以適應(yīng)微觀環(huán)境、以及柔性且生物相容的材料。然而，柔性材料加工難度大、精度低，且與剛性電子元件結(jié)合時(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，先進(jìn)的3D微納制造技術(shù)不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)設(shè)備向高精度、多功能發(fā)展。目前常用技術(shù)包括增材制造，如FDM（圖2a）和DIW（圖2b），適合構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料多樣的設(shè)備；電化學(xué)沉積（圖2c）實(shí)現(xiàn)原子級(jí)打印，但受限于工業(yè)速度；氣溶膠噴射打印（AJP，圖2d）適用于非平面高精度打印。光固化技術(shù)如SLA和DLP（圖2e–f）能快速打印高分辨率結(jié)構(gòu)，CLIP（圖2g）則大幅提升速度并改善表面質(zhì)量；雙光子聚合（圖2h）具納米級(jí)分辨率，但成本高、速度慢。減材制造則更適合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高的應(yīng)用，如激光加工（圖2i）、微銑削（圖2j）和光刻技術(shù)（圖2k–l），可精密制造微結(jié)構(gòu)但受限于設(shè)計(jì)自由度。模具復(fù)制類(lèi)的微模塑（圖2m–n）則通過(guò)軟材料成型實(shí)現(xiàn)柔性仿生結(jié)構(gòu)，適合批量生產(chǎn)和復(fù)雜微結(jié)構(gòu)復(fù)制。整體來(lái)看，各類(lèi)制造技術(shù)在精度、材料適配性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和量產(chǎn)能力之間各有優(yōu)勢(shì)，正共同推動(dòng)高性能柔性生物電子設(shè)備的快速發(fā)展。

圖2. 3D微制造和納米制造技術(shù)。

除了直接制造技術(shù)，機(jī)械引導(dǎo)的3D組裝是一種通過(guò)力學(xué)差異將平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三維形態(tài)的間接制造方法，能夠快速、低成本地批量生產(chǎn)復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)，適用于多種材料和尺寸。這種方法包括滾動(dòng)、折疊、彎曲貼合和起皺等形式，可制造出螺旋、折紙、曲面貼附電路和花狀框架等多種結(jié)構(gòu)，具有良好的柔性和適應(yīng)性。盡管其幾何復(fù)雜度暫不及直接3D打印，但通過(guò)材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外部控制手段，已逐步實(shí)現(xiàn)可編程、可逆形變，提升了設(shè)備與人體組織的匹配度。同時(shí)，混合制造技術(shù)將剛性電子與柔性基底結(jié)合，兼顧舒適性與信號(hào)質(zhì)量，適用于高性能可穿戴設(shè)備。原位3D打印也正用于將傳感器直接打印在如肺部等動(dòng)態(tài)組織表面，具備自適應(yīng)能力，顯著提升生物-電子界面的穩(wěn)定性。展望未來(lái)，卷對(duì)卷印刷等大規(guī)模制造工藝將成為主流，因其能連續(xù)、低成本地集成多種關(guān)鍵工藝，實(shí)現(xiàn)柔性電子設(shè)備的工業(yè)化生產(chǎn)。

圖3. 2D到3D組裝技術(shù)。

高保真可穿戴生物電子器件的分類(lèi)與應(yīng)用

高保真生物電子設(shè)備通過(guò)精密設(shè)計(jì)和3D微納制造技術(shù)，構(gòu)建出適應(yīng)生物組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的微納結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更清晰的信號(hào)采集，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)與神經(jīng)科學(xué)研究。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這些設(shè)備主要分為三類(lèi)（見(jiàn)圖4）：穿刺結(jié)構(gòu)、微溝槽結(jié)構(gòu)和3D貼合結(jié)構(gòu)。其中，3D穿刺結(jié)構(gòu)如微針陣列，可微創(chuàng)穿透皮膚，采集更深層的生理和生化信息，如血糖、乳酸等，同時(shí)避免疼痛和損傷（圖4a、4b）。微針還可集成傳感器用于疾病監(jiān)測(cè)、電生理記錄和藥物輸送，適用于神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域。微溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有精密通道，用于液體采集、分析和壓力感應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)如壓力、拉伸、流速等參數(shù)的高靈敏檢測(cè)，并應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備，如智能隱形眼鏡、手套和手環(huán)（圖4c、4d）。3D貼合結(jié)構(gòu)則模仿人體組織的柔軟特性，具備良好的柔性和拉伸性，能穩(wěn)定貼合心臟、眼球、耳道等復(fù)雜曲面，提升信號(hào)質(zhì)量并減少噪音（圖4e–j）。這類(lèi)設(shè)備通過(guò)超薄設(shè)計(jì)、柔性互聯(lián)或可拉伸幾何結(jié)構(gòu)增強(qiáng)貼合度，還可借助導(dǎo)電水凝膠、石墨烯墨水等材料實(shí)現(xiàn)更高性能的生物界面。隨著3D制造技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，未來(lái)這類(lèi)結(jié)構(gòu)將更智能、更適應(yīng)人體，推動(dòng)可穿戴醫(yī)療設(shè)備在健康監(jiān)測(cè)、個(gè)性化治療和人機(jī)交互等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

圖4. 高保真可穿戴生物電子設(shè)備的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。

展望

盡管3D微納制造技術(shù)為可穿戴生物電子設(shè)備帶來(lái)了巨大進(jìn)步，但目前仍面臨如制造精度高、處理速度慢、難以兼容柔性材料等挑戰(zhàn)，尤其是在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的生物-電子界面方面。為解決硬軟材料在界面處的應(yīng)力集中問(wèn)題，未來(lái)需推動(dòng)剛性與柔性元件的一體化制造，并優(yōu)化材料的力學(xué)性能與加工性能之間的矛盾。技術(shù)發(fā)展不能單獨(dú)進(jìn)行，材料科學(xué)、制造技術(shù)、生物工程、電氣工程和人工智能等跨學(xué)科協(xié)作是關(guān)鍵。未來(lái)的制造材料需具備多功能性，如導(dǎo)電、自修復(fù)或藥物釋放能力；制造技術(shù)也應(yīng)實(shí)現(xiàn)多材料集成、自動(dòng)化及一體化功能，從而加快臨床轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)與個(gè)性化定制并存。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的加入將進(jìn)一步提升制造智能化水平：AI可優(yōu)化材料選擇、模擬合成路徑、實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，并通過(guò)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)虛擬建模與現(xiàn)實(shí)制造之間的高效聯(lián)動(dòng)。這種智能制造模式將推動(dòng)3D微納結(jié)構(gòu)制造進(jìn)入更高精度、更高效率的新階段。