植入式生物電子設(shè)備可以緊貼皮膚甚至放入人體，相信在未來將被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，如醫(yī)療科技、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)等。

近日，理大研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種獨(dú)特的微電極，能適用于上述用途。相關(guān)研究成果已發(fā)表于國際科學(xué)期刊《Science Advances》。

不同于傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品，可穿戴或植入式電子設(shè)備的用料需要整合一系列特定性能——比如必須能拉伸自如、柔軟透氣，放置于人體后也不會(huì)讓使用者受傷或感到不適。不過，生物電子設(shè)備就像日常家居設(shè)備一樣，需要依賴具有高導(dǎo)電性且可以印上微細(xì)電路圖案的電極才能運(yùn)作。

有見于此，由理大應(yīng)用生物及化學(xué)科技學(xué)系軟材料及器件講座教授鄭子劍教授牽頭的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)(成員來自理大時(shí)裝及紡織學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系、應(yīng)用生物及化學(xué)科技學(xué)系、智能可穿戴系統(tǒng)研究院和潘樂陶慈善基金智慧能源研究院，以及香港城市大學(xué)和香港心腦血管健康工程研究中心)克服了多項(xiàng)技術(shù)限制，研發(fā)了一種能應(yīng)用于植入式生物電子裝置的電極。它具有前所未有的柔軟度、可拉伸性和可滲透性，推動(dòng)了可穿戴科技領(lǐng)域的發(fā)展。

鄭子劍教授

該技術(shù)的關(guān)鍵步驟是將一種纖維聚合物通過靜電紡絲的方法放到銀質(zhì)微型電路圖案上，從而產(chǎn)生液態(tài)金屬微電極(簡稱“μLME”)，它能夠以超高密度進(jìn)行電路圖案化，達(dá)到每平方厘米75,500個(gè)電極，比過往的技術(shù)多出數(shù)千倍。這些μLME具有長期生物兼容性，穿戴在人體皮膚上觸感舒適，更已被證明可用于監(jiān)測動(dòng)物大腦的特定應(yīng)用。

高密度μLMEs(數(shù)字圖像)，密度高達(dá)每平方厘米75,500個(gè)電極。

過去，生物兼容的電子設(shè)備均在多孔彈性體上制造，但其多孔而粗糙的基質(zhì)限制了電路圖案的分辨率，因此難以提高電極密度。研究團(tuán)隊(duì)成功突破這一瓶頸，通過光刻技術(shù)將電子線路放在纖維聚合物基質(zhì)上，獲得了如薄紙般柔軟、能在大應(yīng)變下高度導(dǎo)電并具有長期生物兼容性的μLME。

放在人類手臂上的μLMEs(數(shù)字圖像)(LM負(fù)荷量，每平方厘米10毫克)

用作μLME導(dǎo)電組成部分的共晶鎵銦(EGaIn)是一種具有低熔點(diǎn)溫度、能在極端應(yīng)變下保持導(dǎo)電性、柔軟且高度生物兼容的液態(tài)金屬合金。在制造過程中，用EGaIn制成的電路圖案會(huì)放在一片經(jīng)靜電紡絲而成的可滲透“纖維墊”上，該墊為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)——通過這一方法制造的電子設(shè)備柔軟、可拉伸，可供舒適地穿戴和植入。

這種超彈性纖維墊的概念由鄭子劍教授的團(tuán)隊(duì)于2021年首次開發(fā)，現(xiàn)在也被應(yīng)用于新開發(fā)的μLME中。相比于采用不滲透基質(zhì)時(shí)僅能轉(zhuǎn)移部分電極微電路圖案，這種纖維聚合物基質(zhì)保證了來自銀模板的電極微電路圖案能通過光刻技術(shù)完全轉(zhuǎn)移。

從硅晶片轉(zhuǎn)移至SBS纖維墊的Ag微型掩模圖像(數(shù)字圖像)。

除了柔軟、可滲透液體和透氣性外，μLME還具有很強(qiáng)的可拉伸性，在高應(yīng)變下反覆拉伸、釋放后，其電阻僅會(huì)輕微增加。用μLME制作的電子貼片貼在人體皮膚上時(shí)，受壓后只會(huì)留下微量殘留物，甚至沒有殘留物?？纱┐麟娮釉O(shè)備本身具有龐大的市場潛力，應(yīng)用范圍涵蓋生理監(jiān)測、醫(yī)療診斷、互動(dòng)技術(shù)等領(lǐng)域，而此技術(shù)突破更將進(jìn)一步增強(qiáng)可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展可能性。

為驗(yàn)證μLME的柔軟度和可拉伸性能使其成為植入神經(jīng)介面以進(jìn)行大腦監(jiān)測的理想選擇，團(tuán)隊(duì)還合成了具有小電極直徑和高通道密度的μLME陣列，用作充當(dāng)老鼠大腦中的皮層電圖信號(hào)接收器。μLME具有與腦組織相似的機(jī)械性能，可緊貼皮質(zhì)表面、準(zhǔn)確記錄神經(jīng)信號(hào)。當(dāng)沉睡中的老鼠發(fā)出非快速眼動(dòng)睡眠時(shí)的典型可識(shí)別腦電波時(shí)，μLME陣列即能精確檢測到老鼠回應(yīng)施加在身體不同部位電刺激而產(chǎn)生的體感誘發(fā)電位。

作為理大智能可穿戴系統(tǒng)研究院副院長和潘樂陶慈善基金智慧能源研究院首席研究員，鄭子劍表示：“通過結(jié)合光刻技術(shù)和柔軟、可滲透的SBS纖維墊，我們‘解鎖’了分辨率和生物兼容性均達(dá)到新高度的μLME微電極，克服了以往生物電子設(shè)備生產(chǎn)方法的技術(shù)限制，可推動(dòng)醫(yī)療和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步?！?

鄭子劍教授相信，μLME微電極可推動(dòng)醫(yī)療和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

該研究項(xiàng)目獲香港研資局“高級(jí)研究學(xué)者計(jì)劃”以及理大、香港城市大學(xué)、國家科學(xué)自然基金委員會(huì)、InnoHK創(chuàng)新香港研發(fā)平臺(tái)資助。團(tuán)隊(duì)期望通過提高刻印μLME圖案的分辨率，進(jìn)一步推廣該項(xiàng)發(fā)明。