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  近十年來(lái)，柔性電子技術(shù)蓬勃發(fā)展。得益于其質(zhì)地柔軟、貼合皮膚的特點(diǎn)，柔性電子設(shè)備已在人體可穿戴健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，極大提高了醫(yī)學(xué)診療的精確性、實(shí)時(shí)性和個(gè)性化。在實(shí)際應(yīng)用中，柔性電子設(shè)備需要用戶(hù)長(zhǎng)期穿戴以實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)功能，不過(guò)在這一長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中，設(shè)備面臨著多種不斷變化的環(huán)境條件（如機(jī)械力、溫度或濕度），這可能會(huì)導(dǎo)致柔性電子設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能受損，影響其工作的穩(wěn)定性與所采集數(shù)據(jù)的可靠性。因此，開(kāi)發(fā)可在多種變化環(huán)境因素下工作的環(huán)境自適應(yīng)型柔性電子器件對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

  西安交通大學(xué)仿生工程與生物力學(xué)研究所（BEBC）圍繞“力學(xué)基礎(chǔ)理論-生物技術(shù)研發(fā)-應(yīng)用推廣”的學(xué)術(shù)理念，堅(jiān)持將力學(xué)理論模型用于生物材料設(shè)計(jì)和實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中。長(zhǎng)期以來(lái)，基于組織、細(xì)胞、分子尺度生物力學(xué)機(jī)制的研究基礎(chǔ)（Chemical Reviews, 2017, 117, 12764-12850. Advanced Materials, 2018, 30, 1705911. Nano Letters, 2019, 19, 5949-5958. Science Advances, 2020, 6, eaax1909.），開(kāi)發(fā)類(lèi)皮膚柔性電子器件并探索其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景（Advanced Functional Materials, 2016, 26, 165-180. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2017, 112, 1-22. Small, 2018, 14, 1801711. Materials Horizons, 2020, 7, 203-213. Advanced Materials, 2020, 32, 1904752.）。

  基于前期柔性電子開(kāi)發(fā)的研究基礎(chǔ)，近日BEBC研究人員受邀在國(guó)際知名期刊Materials Today上發(fā)表以“The New Generation of Soft and Wearable Electronics for Health Monitoring in Varying Environment: From Normal to Extreme Conditions”為題的綜述文章。該綜述針對(duì)柔性電子設(shè)備在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中面臨機(jī)械力、溫度和濕度三種環(huán)境挑戰(zhàn)（圖1），總結(jié)了近年來(lái)基于材料創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以保障柔性電子設(shè)備在多種變化環(huán)境因素下功能實(shí)現(xiàn)的研究成果。同時(shí)，介紹了在不同環(huán)境下柔性電子在可穿戴健康監(jiān)測(cè)、生物傳感、人機(jī)交互、能源供給等方面的潛在應(yīng)用，并進(jìn)一步討論下一代柔性可穿戴電子設(shè)備開(kāi)發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

圖1. 人體活動(dòng)所面臨的多種環(huán)境：從正常到極端的機(jī)械力、溫度與濕度環(huán)境。

1. 承受大幅度力學(xué)變形的柔性可穿戴電子

  人體活動(dòng)常伴隨拉伸、壓縮、剪切、扭曲等力學(xué)變形（如肢體運(yùn)動(dòng)、心臟搏動(dòng)、血管舒張等），這些力學(xué)變形的參數(shù)范圍為柔性可穿戴電子材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了具體要求。針對(duì)此，文章從完整性和功能性?xún)蓚�(gè)方面介紹了用于人體健康監(jiān)測(cè)的柔性可穿戴電子在多種力學(xué)環(huán)境中所面臨的挑戰(zhàn)與相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略：在設(shè)備完整性方面，總結(jié)了基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，如可用于提升柔性可穿戴電子延展性的二維平面結(jié)構(gòu)與超材料設(shè)計(jì)、提升可穿戴電子靈敏度的三維微結(jié)構(gòu)；在設(shè)備功能性方面，分別從生理信號(hào)監(jiān)測(cè)與生化信號(hào)監(jiān)測(cè)兩個(gè)方面總結(jié)了柔性可穿戴電子的設(shè)計(jì)策略，如基于剪紙工藝的可拉伸電極設(shè)計(jì)。最后，總結(jié)了柔性可穿戴電子在不同力學(xué)環(huán)境中的應(yīng)用，如可承受人體不同部位應(yīng)變的健康監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2. 承受大幅度溫度變化的柔性可穿戴電子

  人類(lèi)活動(dòng)中面臨不斷變化的環(huán)境溫度，由熱到冷、由正常室溫到極端酷暑嚴(yán)寒，這種不斷變化的溫度條件給材料的耐久使用（如抗高溫、抗低溫性能）帶來(lái)挑戰(zhàn)。針對(duì)此，文章從結(jié)構(gòu)和材料兩個(gè)方面介紹了可承受大幅度溫度變化的可穿戴柔性電子的設(shè)計(jì)策略。以水凝膠柔性電子為例，在材料方面，有機(jī)溶劑、鹽與離子液體的引入均能提高材料的抗凍性能；在結(jié)構(gòu)方面，彈性體涂層對(duì)水凝膠的抗凍和抗高溫性能的提升可產(chǎn)生積極的影響；此外，綜合兩種設(shè)計(jì)思路可顯著提高水凝膠在不同溫度下的耐受性。基于這些設(shè)計(jì)方案，多種抗凍、抗高溫柔性可穿戴電子已被廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)與能源供應(yīng)領(lǐng)域。

3. 承受大幅度濕度變化的柔性可穿戴電子

  變化的濕度環(huán)境為柔性可穿戴電子的使用帶來(lái)挑戰(zhàn)，如干燥環(huán)境使得水凝膠柔性電子失水皺縮進(jìn)而失去延展性與功能性，濕潤(rùn)環(huán)境可能使得水凝膠電子發(fā)生溶脹導(dǎo)致不可控的形貌變化及表面結(jié)構(gòu)破壞。而作為采集信號(hào)可靠性的重要保障，器件與人體皮膚之間的有效黏附也會(huì)因潮濕環(huán)境中（如出汗）水分子在黏附界面的聚集而受到影響。針對(duì)這些問(wèn)題，文章首先總結(jié)了人體活動(dòng)所面臨的多種濕度環(huán)境，包含人體呼吸、傷口滲出液、汗液等內(nèi)部環(huán)境以及沙漠、游泳、淋浴、雨天等外部環(huán)境；并分別針對(duì)濕度環(huán)境對(duì)柔性電子設(shè)備完整性與功能性的影響，介紹了其設(shè)計(jì)策略；最后展示了柔性可穿戴電子在多種濕度環(huán)境下應(yīng)用于電子織物、智能敷料、可穿戴傳感器與人工肌肉等領(lǐng)域的前景。

  西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生牛艷和助理教授劉灝為本論文的共同第一作者，徐峰教授為通訊作者，文章共同作者還包括西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科任徽博士、空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院內(nèi)分泌科高彬博士、以及西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院腫瘤內(nèi)科郭卉博士等臨床研究人員。作者專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域涵蓋生物醫(yī)學(xué)工程、生物力學(xué)、化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等不同學(xué)科背景，充分展現(xiàn)了BEBC理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的多學(xué)科交叉合作研究理念。該工作是BEBC基于多尺度（組織-細(xì)胞-分子）生物熱-力-電耦合研究思路，在組織尺度針對(duì)類(lèi)皮膚柔性電子多場(chǎng)耦合研究上的又一重要研究進(jìn)展總結(jié)。

  文章信息：Yan Niu¹, Hao Liu¹, Rongyan He, Zedong Li, Hui Ren, Bin Gao, Hui Guo, Guy M. Genin, Feng Xu. The New Generation of Soft and Wearable Electronics for Health Monitoring in Varying Environment: From Normal to Extreme Conditions. Materials Today. 2020. (DOI: 10.1016/j.mattod.2020.10.004)

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136970212030359X