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用于不同領(lǐng)域，如醫(yī)療科技、增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)等。

近日，理大研究團隊成功研發(fā)出一種獨特的微電極，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，需要依賴具有高導電性且可以印上微細電路圖案的電極才能運作。

有見于此，由理大應用生物及化學科技學系軟材料及器件講座教授鄭子劍教授牽頭的跨學科研究團隊(成員來自理大時裝及紡織學院、生物醫(yī)學工程學系、應用生物及化學科技學系、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，以及香港城市大學和香港心腦血管健康工程研究中心)克服了多項技術(shù)限制，研發(fā)了一種能應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行電路圖案化，達到每平方厘米75,500個電極，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)測動物大腦的特定應用。

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

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。研究團隊成功突破這一瓶頸，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、能在大應變下高度導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負荷量，每平方厘米10毫克)

用作μLME導電組成部分的共晶鎵銦(EGaIn)是一種具有低熔點溫度、能在極端應變下保持導電性、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隊于2021年首次開發(fā)，現(xiàn)在也被應用于新開發(fā)的μLME中。相比于采用不滲透基質(zhì)時僅能轉(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還具有很強的可拉伸性，在高應變下反覆拉伸、釋放后，其電阻僅會輕微增加。用μLME制作的電子貼片貼在人體皮膚上時，受壓后只會留下微量殘留物，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，應用范圍涵蓋生理監(jiān)測、醫(yī)療診斷、互動技術(shù)等領(lǐng)域，而此技術(shù)突破更將進一步增強可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展可能性。

為驗證μLME的柔軟度和可拉伸性能使其成為植入神經(jīng)介面以進行大腦監(jiān)測的理想選擇，團隊還合成了具有小電極直徑和高通道密度的μLME陣列，用作充當老鼠大腦中的皮層電圖信號接收器。μLME具有與腦組織相似的機械性能，可緊貼皮質(zhì)表面、準確記錄神經(jīng)信號。當沉睡中的老鼠發(fā)出非快速眼動睡眠時的典型可識別腦電波時，μLME陣列即能精確檢測到老鼠回應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，可推動醫(yī)療和增強現(xiàn)實等領(lǐng)域的技術(shù)進步?！?

鄭子劍教授相信，μLME微電極可推動醫(yī)療和增強現(xiàn)實等領(lǐng)域的技術(shù)進步。

該研究項目獲香港研資局“高級研究學者計劃”以及理大、香港城市大學、國家科學自然基金委員會、InnoHK創(chuàng)新香港研發(fā)平臺資助。團隊期望通過提高刻印μLME圖案的分辨率，進一步推廣該項發(fā)明。