John A. Rogers教授是國際著名材料學家、物理學家及化學家，現(xiàn)為美國國家科學院、美國國家工程院、美國藝術與科學學院三院院士。John A. Rogers教授的主要研究方向為非常規(guī)電子器件材料及制造。近十年來在仿生電子器件的設計與制造、可穿戴生物醫(yī)學電子器件等領域始終走在最前端，取得眾多研究成果，成為業(yè)界領軍人物。作為全球柔性電子技術研究的開創(chuàng)性領軍人物，John A. Rogers教授開創(chuàng)的柔性電子技術研究開啟了傳統(tǒng)硬質無機電子技術產(chǎn)業(yè)從”硬”到”柔”的跨越，對于推動柔性電子技術成為融合數(shù)字、物理和生物世界的變革性力量，改變未來世界生活形態(tài)的可能性都具有非凡的意義。
因此，高分子科學前沿編輯部對John A. Rogers教授近三年的部分重大突破性工作進行了匯集和總結，供大家學習和交流。
該總結主要圍繞以下三點來展開：
- 1. 可穿戴生物集成系統(tǒng)
- 2. 可植入生物集成系統(tǒng)
- 3. 先進微型器件制造技術
注：本文僅選取了部分John A. Rogers教授作為(共同)通訊作者的論文，更多論文和研究成果可以前往JohnA. Rogers教授課題組主頁：http://rogersgroup.northwestern.edu/；同時，由于學術水平有限，所選文章及其表述如有不當，敬請批評指正。
【一】可穿戴生物集成系統(tǒng)
1.Nature：首次將復雜的觸摸感融合到VR/AR中
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)技術和增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)技術是一種運用多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種手段將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術。VR/AR技術可以給人以全面和身臨其境的體驗，這種體驗包括交互式圖像、聲音和觸感，因此VR/AR技術不僅具有強大的豐富人們生活的娛樂功能，對于聽覺障礙、肢體殘疾者以及其他相關病人的臨床醫(yī)學、康復和恢復等領域也具有重要的用途。
觸感，是人體最重要感覺之一，它是我們與世界物理連接的基礎。這種物理連接主要依靠的是我們的機械感受器，它大量而廣泛地分布在人體皮膚和真皮層內，依靠將施加在皮膚上的力轉化為電信號傳遞到大腦來使我們產(chǎn)生觸感。但是，將觸感融合到VR/AR技術中仍是目前該領域的一個巨大難題，主要的困難來自于感覺受體檢測到的刺激被編碼成電信號，然后被解碼成計算機能夠感知和理解的信息過程很復雜。
針對這一問題，美國西北大學JohnA·Rogers院士研究團隊聯(lián)合黃永剛院士研究團隊開發(fā)了一種無線、無電池的觸覺制動器，其中的電子系統(tǒng)平臺和觸覺界面能夠輕柔地層壓在皮膚的曲面上，以通過時空可編程的局部機械振動模式來傳遞信息，從而實現(xiàn)了將復雜的觸摸感融合到VR/AR技術中。這種觸覺致動器通過無線供電和控制，以及能壓層貼合任何類型皮膚，使其具有低耗能、適用性廣和安全便捷的特點，比如通過設計優(yōu)化，觸覺致動器的功率僅為1.75 mW，在指尖和手上產(chǎn)生明顯的感官響應的同時無熱效應產(chǎn)生。根據(jù)目前的實驗結果，作者預想這項研究在未來的社交媒體互動、假肢反饋、視頻游戲、個性化康復、手術訓練、教育反饋和多媒體娛樂等諸多領域具有極大的應用空間。
參考文獻：Yu, X. , Xie, Z. , Yu, Y. , Lee, J. ,& Rogers, J. A. . (2019). Skin-integrated wireless haptic interfaces for virtualand augmented reality. Nature, 575(7783), 473-479.
2. Science：為ICU早產(chǎn)兒保駕護航的可穿戴器件(一)
在美國，每年有超過48萬名危重兒童在ICUs接受治療，其中包括體重只有500克的早產(chǎn)兒，然而，新生兒和兒童重癥監(jiān)護室(分別為NICUs和PICUs)的標準臨床護理包括使用硬連線設備持續(xù)監(jiān)測生命體征，這些設備粘附在皮膚上，在某些情況下，還可能涉及插入動脈的導管式壓力傳感器。這些系統(tǒng)可能導致醫(yī)源性皮膚損傷，使臨床護理復雜化，并阻礙父母和孩子之間的皮膚接觸。因此，一個能夠無創(chuàng)、連續(xù)、準確監(jiān)測生命體征的無線系統(tǒng)，很有可能極大地提高新生兒和兒童重癥監(jiān)護的安全性和有效性。
鑒于此，美國西北大學JohnA. Rogers院士、AmyS. Paller和ShuaiXu1教授團隊聯(lián)合開發(fā)設計了一種無線、無電池的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，這個監(jiān)測系統(tǒng)由一對超薄、低模量的測量模塊構成，每一個模塊均是表皮電子系統(tǒng)(EES)，它能夠輕柔地、無創(chuàng)性地連接到新生兒的皮膚上，對新生兒的生命體征進行準確、無傷地監(jiān)測。
該研究中設計的系統(tǒng)和技術不僅重現(xiàn)了目前侵入性有線系統(tǒng)所提供的全面的生命體征監(jiān)測能力，還增加了多點溫度傳感器和持續(xù)跟蹤血壓的能力。這些傳感器可以滿足NICU的需求，因為它們具有很高的機械順應性、無創(chuàng)的皮膚粘附界面、優(yōu)異的耐水性以及與基本醫(yī)學成像和檢查的兼容性等諸多優(yōu)點。除了先進的監(jiān)測能力，皮膚樣輪廓和全無線操作模式可以減少親子之間皮膚接觸的障礙，進一步增強了其直接的治療價值。
參考文獻：Chung, H. U. et al.Binodal, wirelessepidermal electronic systems with in-sensor analyticsfor neonatal intensivecare. Science 363, eaau0780 (2019)
3.Nature Medicine：為ICU早產(chǎn)兒保駕護航的可穿戴器件(二)
John A. Rogers院士及其合作者在2019年發(fā)表在Science[Science 363, 6430, eaau0780(2019)]上的一項研究描述了一種柔軟的，類似于皮膚的電子系統(tǒng)，旨在滿足早產(chǎn)兒ICU臨床健康狀況監(jiān)控和分析的需求。在這項研究中，作者在NICU中的評估研究中證實了該系統(tǒng)可以對心率，血液氧合，溫度，呼吸頻率和脈搏波速度進行臨床準確測量的能力。但是，作者在文中指出，該系統(tǒng)在實際應用時仍然有以下缺點：
- (1)無線電源傳輸和數(shù)據(jù)通信的最大工作距離較短(~30 cm)；
- (2)存在機械脆弱性；
- (3)足夠，但測量能力范圍有限;
- (4)只能專門定制高級設備配置。
為了解決這一問題，使柔性穿戴系統(tǒng)可以更多和更廣泛地應用在臨床上，美國西北大學John A.Rogers院士、Jong Yoon Lee教授和芝加哥安&羅伯特·盧瑞兒童醫(yī)院Debra E.Weese-Mayer教授研究團隊對之前的研究進行了改進和優(yōu)化，克服上述缺點的同時賦予了新監(jiān)測系統(tǒng)新的能力。
比如，電池和無線功率采集方案的改進，它不僅提供了與現(xiàn)有心率、呼吸率、溫度和血氧和臨床標準相等的測量，而且還提供了一系列重要的附加特征(如跟蹤運動和身體定位，量化皮膚對皮膚護理的生理益處，捕捉心臟活動的聲學特征，記錄與哭泣的音調和時間特征相關的發(fā)聲生物標記物)。
與之前的研究相比，使用了藍牙技術的新柔性傳感器系統(tǒng)可以將信號傳輸?shù)淖畲缶嚯x提升至10米，這大大提高了該系統(tǒng)和技術的實用性。同時，該系統(tǒng)的另一個特點是它具有監(jiān)測心率變異性的能力，這可用于在明顯的疾病跡象變得明顯之前預測嬰兒的臨床狀況變化。
最后，安全性實驗表明這款改進后的系統(tǒng)耐水性很好，而且由于功率極小，不會產(chǎn)生明顯的熱量對新生兒的皮膚造成不適或損傷，也不會對X射線等診斷成像研究造成干擾。但是，作者仍然在文章的最后提出了該系統(tǒng)還需進一步優(yōu)化的地方，包括：
- (1)此傳感器獲得的測量值與標準傳感器獲得的測量值之間的絕對差雖然在可接受的范圍內，但是某些參數(shù)的差異可能與血壓相對較低的極早產(chǎn)兒具有臨床相關性，因此有必要在實施之前進行進一步研究。
- (2)目前的測試僅限于生命參數(shù)相對正常的兒童，對于生命體征異常的兒童，還需要進一步測試。
參考文獻：Chung, H.U., et al.Skin-interfacedbiosensors for advanced wireless physiological monitoring inneonatal andpediatric intensive-care units. Nat Med 26, 418–429 (2020).
4.Nature Biomed Eng：放置在胸骨上的無線生物電子器件對生理過程進行機械聲傳感檢測
人體的自然生理過程會產(chǎn)生大量的機械聲信號，其中許多信號在皮膚-空氣界面會強烈衰減。振幅和頻率范圍從微妙的振動到全身運動學包含多樣和重要的生理健康信息，比如:聲襞振動(約100Hz)、心臟活動(約10Hz)、步態(tài)和運動(約1 Hz)和呼吸(約0.1Hz)。數(shù)字聽診器和慣性測量裝置是定量捕獲這些數(shù)據(jù)的臨床工具，但是，數(shù)字聽診器獲取信號通常限制在20~1900 Hz的頻率范圍內，很多低頻率的生理活動很難被有效的檢測到。而采用高帶寬三軸加速度計的皮膚安裝軟電子設備可以捕獲大量微弱的生理信息，包括潛在機械聲信號和核心身體運動的精確運動學。
基于這一前提，美國西北大學John A.Rogers院士、黃永剛院士、ZhaoqianXie教授和Carle神經(jīng)科學研究院Charles R. Davies教授等研究團隊聯(lián)合開發(fā)了一種無線生物電子器件，它可以被放置在人體胸骨上方的凹口處來連續(xù)測量生理活動產(chǎn)生的機械聲信號，包括從皮膚在大約10-3 m s-2的加速度下的微弱振動到整個身體的大運動在大約10 m s-2的振動和高達800 Hz的頻率振動。相比于之前的研究，這項研究中使用的無線生物電子器件以及檢測系統(tǒng)具有以下5個特點:
- (1)無線系統(tǒng)的設計優(yōu)化了舒適的皮膚界面和高精度、高帶寬MA測量，使用小型可充電電池供電;
- (2)使用胸骨上切跡(SN)作為一個獨特的解剖安裝位置，提供了豐富的混合MA信息，涉及不同類別的生理過程和核心-身體運動;
- (3)發(fā)展數(shù)據(jù)分析技術，從得到的多模態(tài)數(shù)據(jù)中提取定量的生理洞察力;
- (4)在日?；顒雍腕w育鍛煉中連續(xù)或半連續(xù)監(jiān)測時，結合演示裝置獨特的力學性能、獨特的安裝位置和先進的分析方法;
- (5)通過與金標準多導睡眠描畫系統(tǒng)的記錄進行定量比較，在睡眠實驗室獲得的結果進行臨床驗證。
參考文獻：Lee K H , Ni X , Lee J Y , et al.Mechano-acoustic sensing of physiological processes and body motions via a softwireless device placed at the suprasternal notch. Nature BiomedicalEngineering, 2020, 4(6).
5.Nature Biomed Eng：用于假肢控制和認知監(jiān)測的大面積核磁共振兼容表皮電子接口
柔性可伸縮電子技術制備了各種各樣的薄的皮膚界面醫(yī)療設備，這些類皮膚表皮系統(tǒng)提供了與生理健康和心理活動相關的生物物理和生化參數(shù)的連續(xù)測量能力，這對于疾病診斷、生理健康監(jiān)測以及與假肢、計算機系統(tǒng)和可穿戴機器人設備建立控制界面至關重要。與傳統(tǒng)的可穿戴設備相比，類皮膚表皮系統(tǒng)中材料與皮膚以一種機械和熱無痕的方式相結合，使其具有超薄、低模量、輕便、可伸縮和可呼吸的結構，因而這種系統(tǒng)可以與皮膚建立了強健、親密的電子接口，而不會引起刺激或不適。然而，目前的方案將這些設備的總體尺寸限制在幾平方厘米以內，因此空間繪圖能力只能擴展到很小的區(qū)域，不能夠滿足實際的需求。
鑒于此，美國西北大學John A.Rogers院士、伊利諾斯大學厄巴納-香檳分校Paul V. Braun、清華大學Yihui Zhang等人研究團隊從材料、裝置結構、操作和安裝以及制造方法等多方面進行改進和優(yōu)化，制備得到了比以往研究大幾個數(shù)量級的表皮電子界面，組裝后的電生理學記錄裝置能覆蓋整個頭皮區(qū)域和整周小臂，具有在大范圍皮膚區(qū)域收集生理信息的重要能力。該裝置中開放網(wǎng)絡設計內的絲狀傳導結構可以使無線電誘導的渦旋電流最小化，因此加強了與磁共振成像(MRI)的兼容性。例如，大面積肌電圖設備與截肢者殘肢相連，通過定向肌肉再生，可以精確控制復雜的多功能假體和頭皮腦電圖系統(tǒng)，在連續(xù)磨損的幾天內穩(wěn)定、高保真地運行。隨后，作者將大面積表皮電子界面用于病人肱骨假肢的多功能控制，這些病人可以在長時間的腦電掃描以及同步腦電掃描-結構/功能性磁共振成像中進行目標肌肉神經(jīng)分布重建手術，極大地體現(xiàn)出了該裝置的實用價值。在最后作者提出，這些技術的改良版本也可能允許應用于內臟器官，包括大腦或心臟大面積區(qū)域的電生理學測繪。
參考文獻：Tian, L., Zimmerman, B., Akhtar, A. et al.Large-area MRI-compatibleepidermal electronic interfaces for prosthetic controland cognitivemonitoring. Nat Biomed Eng 3, 194–205 (2019)
6.Nature Communications：監(jiān)測流汗與給出補水建議的智能柔性可穿戴集成系統(tǒng)
最近推出的可以安裝在皮膚上的薄而軟微流體系統(tǒng)具有強大的運動和生理監(jiān)測功能，比如可以連續(xù)、實時地監(jiān)測人體總汗液損失、汗液率以及對汗液物進行標記和分類。雖然該體系能在沒有有源組件或電源的情況下工作，從而避免了額外的成本、制造復雜度、裝置的體積和重量等，但人體補水之后可能會導致之前的測量結果不再適用，且異常生理活動的監(jiān)測需要用戶主動觀測比色結果。
基于此，美國西北大學John A.Rogers院士研究團隊通過以下三點措施來解決這些缺點：
- (1).夾閥門和抽吸泵組成epi流控汗液裝置,它可以手動清除收集的汗液來進行可復位操作；
- (2).可逆視覺指示器向用戶顯示局部汗液流失信息；
- (3).冒泡性泵片和化學刺激物質用于自動傳遞汗液過度流失的信號(在總汗液流失的某些閾值提供感覺反饋)。
人體試驗表明，這類系統(tǒng)能通過汗液觸發(fā)薄荷腦和辣椒素排出從而使人體皮膚產(chǎn)生感覺，提醒用戶防止脫水。這項研究建立了一套軟微流體元件和系統(tǒng)，用于汗液采集、收集和電解質分析，并具有自動反饋給用戶的能力，并且整個過程均不需要電子或有源元件。
采用標準的微加工工作流程制造人工操作的單片集成微流控系統(tǒng)，是實現(xiàn)低成本、人工驅動的芯片和皮膚實驗室系統(tǒng)的關鍵特性。同時，研究結果表明epi流控系統(tǒng)的能力可以進一步進行擴展，使用戶將系統(tǒng)中的汗液排出來，再重新啟動系統(tǒng)，并使汗液觸發(fā)化學感受器釋放出可能脫水的感覺警報，而所有這些都以一種最簡單和最廉價的被動方式來表達出來。
參考文獻：Reeder J T , Xue Y , Franklin D , etal. Resettable skin interfaced microfluidic sweat collection devices withchemesthetic hydration feedback. Nature Communications, 2019, 10(1).
7.Science Advances：對汗液同時進行電化學、比色和容量分析的微流體/電子系統(tǒng)
薄而柔軟的可穿戴傳感器與人體密切整合后可以提供獨特的生理監(jiān)測功能。隨著材料與電子技術的進步，建立柔性為基礎的復雜結構和功能的靈活可穿戴傳感器越來越變得可能。比如人在運動的時候，體內會進行劇烈的代謝活動，會從皮膚中產(chǎn)生大量的汗液，這些汗液中包含大量的電解質、代謝物和小分子。對這些物質的成分和含量進行準確的檢測，可以對人的一系列生理和運動學參數(shù)進行準確的分析，比如氧飽和度、生物電位、表面壓力、溫度、血流和水化等等。目前可穿戴汗液傳感器的核心是用于電化學檢測的電子器件或用于視覺讀出的比色分析裝置。但是前者的缺點主要是形狀因子不理想，后者的缺點在于只能進行半定量分析，適用的生物標記物也不多。
基于此，美國西北大學John A.Rogers院士團隊借鑒生物燃料電池的理念，設計了一種結合了生物燃料電池傳感器、比色分析法、NFC電子技術和軟微流體技術的無源無線式電子傳感系統(tǒng)，可以同時和高效地檢測人體汗液中乳酸、葡萄糖、氯離子、pH值和汗液率/損失。
采用改進的子設計、集成方法和材料制備的這種微流體/電子系統(tǒng)具有輕質、小型化、柔軟、無電池等特性，與之前報道的具有類似性能的可穿戴傳感器相比，該研究中的可穿戴化學傳感裝置更輕、更小、更便宜。
人體受試者研究表明，該傳感器可以牢固地附著在柔軟的、彎曲的皮膚表面，而不會在體育鍛煉中失效，從而提供與汗液流失和汗液化學有關的連續(xù)、多模式信息，這兩種信息都可用于評估生理健康、性能和疲勞。
該研究所述的微流體/電子系統(tǒng)不僅可以根據(jù)汗液來獲得大量關于人體生理的信息，同時，作者表示研究中涉及到的電子學、微流體學、集成方案對于跟蹤腎病患者、篩查囊性纖維化、監(jiān)測藥代動力學、測量壓力缺血和應激標記的新器件和方法也有重要的影響和啟發(fā)，這將是未來一個很有前景的跨學科研究方向。
參考文獻：Bandodkar A J , Gutruf P , Choi J , etal. Battery-free, skin-interfaced microfluidic/electronic systems forsimultaneous electrochemical, colorimetric, and volumetric analysis of sweat.Science Advances, 2019, 5(1).
8.Science Advances：依靠熱電供能的可穿戴柔性設備
將兩種金屬或半導體的兩端緊密接觸形成回路，若此時兩個接觸點溫度不同，則會在回路中產(chǎn)生電流。溫差越大，則產(chǎn)生的電流越大。其中，以半導體相聯(lián)制成的回路能產(chǎn)生較大的電動勢，可以用作熱電發(fā)電器。隨著半導體器件小型化趨勢的加快，能量收集技術變得越來越重要，特別是在可穿戴技術和物聯(lián)網(wǎng)傳感器方面。盡管熱電系統(tǒng)在這方面有許多吸引人的特性，但隨著特性尺寸的減小，在設備終端之間保持較大的溫差并實現(xiàn)與周圍環(huán)境的低熱阻抗接口變得越來越難實現(xiàn)。
基于此，美國西北大學John A.Rogers院士、黃永剛院士和G.Jefferey Snyder教授課題組合作，在傳統(tǒng)半導體加工工藝，首次提出了利用非線性屈曲力學組裝來實現(xiàn)的一種三維微型熱電發(fā)電器。該策略首先在二維平面狀態(tài)下，通過光刻、轉印等技術將摻雜的單晶硅薄膜和金屬電極布置在預設形狀的聚合物保護層內，然后通過硅膠基底的受控壓縮屈曲形成三維結構。這種方法不僅能實現(xiàn)有效的熱阻抗匹配，而且還能成倍地增加通過收割機的熱流，從而提高功率轉換的效率。
用該策略制成的三維微型熱電“彈簧”特征尺寸僅為8微米，但通過三維變形，不僅將熱傳遞方向的距離（即基底到彈簧頂部的高度差）提高到毫米級別，更使其擁有著比二維平面設計更為出色的力學柔性與拉伸性——實驗測試結果顯示，該彈簧結構在超過200次面內循環(huán)拉伸（拉伸至原長160%）后仍然不會損壞，而且可以承受高達30%的面外壓縮應變。
這項新技術基于傳統(tǒng)半導體工藝，因此這些熱電彈簧可以在不增加制備步驟的情況下輕松地被復制、擴展成為大規(guī)模陣列。研究中8×8的熱電彈簧陣列可以很穩(wěn)定地貼在人體表面上，在19℃的溫差下，器件的最大輸出功率約為2nW，開路電壓達到51.3mV，溫降達到6.2℃。如果將單晶硅換成其他更優(yōu)秀的熱電薄膜材料，這些性能可以被進一步提高。
參考文獻：Kewang N, S, Dongmin K, Kan L. et al.Compliant and stretchable thermoelectric coils for energy harvesting inminiature flexible devices. Science Advances, 2018.
9.Science Advances：用于汗液收集、成分分析、溫度記錄的防水柔性傳感器
通過分析人體運動活動/過程中產(chǎn)生的汗液的信息，就能實現(xiàn)對人體生理狀態(tài)的無創(chuàng)式原位監(jiān)測，然后就可以開發(fā)出新的健康診斷形式和個性化的補水策略。隨著材料科學和微電子信息技術的快速發(fā)展，結合了這兩個技術的汗液收集、分析柔性傳感器具有強大的功能，比如對汗液的成分進行收集，然后給出對應的補水配方。但目前報道的柔性傳感器在極端環(huán)境下并不適用，比如在液體水環(huán)境中還存在以下三個難題：
- (1). 無法消除周圍水的污染和干擾；
- (2). 在粘滯力或劇烈運動下不能保持穩(wěn)定的粘附；
- (3). 會阻止所收集汗液的蒸發(fā)過程。
針對這三個應用難題，美國西北大學John A.Rogers院士團隊從材料和設計出發(fā)，研發(fā)了一種粘附于皮膚，具有收集、儲存和分析汗液功能，即使在水下環(huán)境也能正常工作的防水表皮微流控電子系統(tǒng)傳感器。這項研究涉及到的具體技術包括：
- (i)用于皮膚和微流控平臺兼容的可塑彈性聚合物材料[苯乙烯嵌段共聚物(SIS)]，該彈性體對水、水蒸氣和周圍水媒化學物質的滲透率極低;
- (ii)防止水生環(huán)境的干擾或污染而不妨礙汗液流入的微流體通道、入口和出口的設計;
- (iii)將與水撞擊和皮膚運動有關的剪應力減至最低的超薄保形裝置的成型技術;
- (iv)可在水下牢固粘接和可靠收集汗液的皮膚粘附材料和幾何設計;
- (v)集成防水柔性/可拉伸電子設備的方法，該電子設備可以與人體表皮組織進行聯(lián)結，以獲得額外的、互補的傳感模式。
實驗結果表明，通過優(yōu)化傳感器結構、設計超薄的邊緣幾何形狀以及使用強度高、皮膚友好的粘合劑，即使在極端的水下作業(yè)時間超過2小時以上，該傳感器也能與皮膚牢固防水地粘合，同時保持穩(wěn)定的監(jiān)測性能。這些結果突出了微流控平臺對游泳運動員和旱地運動員在實時生理測量方面的先進能力，同時這些原理和裝置設計將對這些和其他極端環(huán)境中表皮汗液收集和分析系統(tǒng)有重要作用。
參考文獻：Reeder, Jonathan T., et al. “Waterproof,electronics-enabled,epidermal microfluidic devices for sweat collection,biomarker analysis, andthermography in aquatic settings.” Science advances5.1 (2019): eaau6356.
10.Science Advances：可監(jiān)測人體輻射的可穿戴柔性傳感器
來自太陽、室內燈、發(fā)射顯示器和其他人工光源的電磁輻射(EMR)對生物的生命過程具有波長特異性和劑量依賴性的影響，而這些影響決定了生物的健康狀況。如果人過度的暴露于EMR環(huán)境中，可能會導致很嚴重的疾病問題。比如過度暴露于紫外線輻射、太陽藍光、或手機等電子產(chǎn)品發(fā)射源的輻射，會增大患皮膚癌的風險。而較短的波長光有助于皮膚上活性氧的生成，這會導致DNA損傷，引起炎癥和色素沉著過度，同時也會引起強化膠原蛋白和彈性蛋白的降解,從而導致衰老和皮膚起皺。因此，對人們日常生活周圍輻射情況的實習監(jiān)控來進行調整對于提高生命質量是十分必要和有意義的。
為了對人體周圍的室內照明、顯示系統(tǒng)的短波藍光以及來自太陽的紫外/可見/紅外輻射進行準確而高效的監(jiān)控，美國西北大學John A. Rogers院士團隊設計制備了一種毫米級、超低功率數(shù)字劑量計平臺來實時監(jiān)測和計算人體受到的輻照情況。為了制造該平臺，作者使用了先進的光自適應電子控制電路、用于劑量測量的累積檢測模塊(ADM)和用于無線通信的藍牙低能量芯片(SoC)系統(tǒng)相結合的技術。該平臺在一個或多個波長的自主模式下同時提供連續(xù)EMR劑量的測量，并可通過無線遠程通信與標準消費設備進行時間管理。
由于該系統(tǒng)的功率很低，這些高度精確的、毫米級的器件可以長期處于工作狀態(tài)，經(jīng)過計算，單個小型紐扣電池可以為系統(tǒng)連續(xù)續(xù)航1~2年。同時，該系統(tǒng)/器件由于沒有接口端口和機械開關，而且不需要更換電池，因此可以對防水、防汗和耐磨損的設備進行密封。最后，作者表明如果該系統(tǒng)可以得到大規(guī)模的應用，那么將大大有助于降低皮膚癌、情緒障礙、眼部損傷和其他與EMR暴露有關的疾病的風險。
參考文獻：KwonK,Heo SY, Yoo I, Banks A, Chan M,Lee JY, et al. Miniaturized,light-adaptive,wireless dosimeters autonomouslymonitor exposure toelectromagnetic radiation.Science Advances.2019;5(12):eaay2462.
11.Science Translational Medicine：柔性可以穿戴設備監(jiān)控電磁輻射助力光治療
電磁輻射是一把雙刃劍，它對人類健康具有深遠影響。一方面，過多或過強的電磁輻射會損害人體健康，比如太陽的紫外線會導致皮膚癌，藍光影響人體褪黑激素的晝夜節(jié)律。另一方面，可控量的電磁輻射具有良好的用途。比如紫外線可以治療各種皮膚炎癥，而藍光可以治療新生兒黃疸。雖然在這些情況下對暴露量的定量測量很重要，但由于在體積、重量、成本和準確性方面的一系列不利因素，目前的電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)在實驗室之外的適用性并不理想。
針對這一應用難題，美國西北大學John A.Rogers院士聯(lián)合Shuai Xu教授研究團隊采用光學計量方法、光電子設計和無線操作模式的方法，開發(fā)了一種柔性、微型化、低成本、無需供電、可以準確監(jiān)測人體電磁輻射的放射量測定器。該測定器內部含有具有近場通信功能的芯片系統(tǒng)、射頻天線、光電二極管、超級電容器和晶體管，然后利用連續(xù)積累機制對電磁輻射進行測量。作者在實際實驗中將設備安裝在人體參與者身上，在戶外活動(包括水生環(huán)境)、治療性光療單元以及在新生兒重癥監(jiān)護病房進行藍光光療，演示了UVA、UVB、可見光和紅外輻射累積和瞬時監(jiān)測。
這項技術的意義不僅是可以實時監(jiān)測消費者健康和臨床醫(yī)學中的紫外線劑量，同時這個系統(tǒng)的劑量測定法修改版本可以調節(jié)瞬時和累計傳感模式，包括連續(xù)無線設備的審訊、照明與視覺和操作指標。不僅如此，在對新生兒進行藍光光療的情況下，這一功能可以優(yōu)化NICU和門診治療高膽紅素血癥的方案(NICU停留日平均費用為1170$)，降低光治療成本或者提高NICU光輻照的經(jīng)濟效益。除了醫(yī)療、化妝品和生活方式方面的應用，劑量測定法在焊工、鋼鐵工人和其他暴露于有害紫外線、可見光和/或紅外輻射的人的職業(yè)健康監(jiān)測中也很重要。
參考文獻：Seung Y H, Jeonghyun K et al. Wireless,battery-free, flexible, miniaturized dosimeters monitor exposure to solarradiation and to light for phototherapy. Science Translational Medicine, 2018.
12.Science Translational Medicine：用于腦積水患者腦部健康狀態(tài)評估的表皮電子技術
腦積水是一種常見且治療價格較昂貴的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，它主要是由腦脊液(CSF)生產(chǎn)過剩和/或受損的再吸收引起的。目前的腦室導流管法是一種常見用于治療腦積水的方法，但是治療時成功率并不是很高，同時還可能導致一系列并發(fā)癥，比如頭痛，頭暈，和惡心。目前常用如計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)、放射性核素分流通暢研究(RSPSs)和冰袋介導的熱溶解法來作為腦室導流管法失效的診斷工具，但是均存在成本高、準確性差、不便和安全隱患等缺點。
鑒于此，美國西北大學John A.Rogers院士聯(lián)合Matthew Potts教授研究團隊開發(fā)并測試了一種柔性無創(chuàng)、可皮膚安裝的可穿戴測量平臺，該平臺包含熱傳感器陣列和致動器，用于對皮下分流的血流進行精確的、連續(xù)的或間歇性的測量，從而提供了一種低成本、舒適的方法來定量評估通過腦脊髓分流的連續(xù)或間歇血流。
在研究過程中，作者對材料、力學和制造方案進行了系統(tǒng)的考量，制備的柔性傳感器厚度僅為100um，模量~70kPa，密度＜10 mg cm-2，在物理性能上類似皮膚，其彎曲剛度比傳統(tǒng)的剛性傳感器低9個數(shù)量級。作者將該傳感器在5名病因不同的成人分流受者身上進行了試驗，并且將其結果與CT、MRI和RSPSs的結果進行比較，驗證了該傳感器在體內的功能，以及用于定量測定流速的先進處理算法。除了對血流進行準確的監(jiān)測，此類表皮電子設備還支持捕獲人體運動學、電生理信號、軟組織機械特性和汗液中的化學標記等信息。
參考文獻：S.R. Krishnan, T.R. Ray, J.A. Rogers,et al. “Epidermal Electronics for Noninvasive, Wireless, QuantitativeAssessment of Ventricular Shunt Function in Patients with Hydrocephalus,”Science Translational Medicine 10, eaat8437 (2018).
13.Science Translational Medicine：用于汗液捕獲、存儲和比色感應的柔性可穿戴傳感器
通過對汗液進行捕獲和定量化學分析而啟用的健康監(jiān)測能力可以補充或可能消除基于零星血樣評估的方法的需要?，F(xiàn)有大部分的汗液監(jiān)測技術和器件基于簡單的織物樣本，這只能在受控實驗室或醫(yī)院環(huán)境中進行測試和分析。為了使汗液收集和分析變得更加精準和方便，美國西北大學John A.Rogers院士團隊設計和制備了一種薄而軟、封閉的微流體系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以直接和可靠地從皮膚表面的毛孔中獲取人體運動后產(chǎn)生的汗液，并對其進行儲存和分析——這些設備通過使用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋壬珯z測來測量總汗液流失、pH值、乳酸、氯化物和葡萄糖濃度。
這項研究的微流體技術主要建立在最近課題組的表皮電子、光子和光電子系統(tǒng)的研究基礎上，額外增加了流體處理和捕獲、以及生化分析能力。該微流體系統(tǒng)裝置可以安裝在身體的多個位置，使用生物相容的粘合劑和軟裝置力學包覆使其對人體皮膚沒有化學或物理刺激，同時還有較強的拉伸性能和防水性。為了在實際條件下評估該裝置的實用性，作者進行了兩項試驗:一項在室內進行的可控微汗誘發(fā)研究，另一項在長距離自行車比賽中進行的真實世界的戶外使用研究。
參考文獻：Han S , Kim J , Won S M , et al. Battery-free,wireless sensors for full-body pressure and temperature mapping. ScienceTranslational Medicine, 2018, 10(435):eaan4950.
【二】可植入生物集成系統(tǒng)
1.Nature：用于光遺傳學調節(jié)末梢神經(jīng)的無線閉環(huán)系統(tǒng)
生物電子醫(yī)學領域的最終目的是設計出通過刺激末梢神經(jīng)系統(tǒng)來緩解臨床癥狀的器件和裝置系統(tǒng)，而這類技術很大程度上依賴于電流刺激來提供器官功能/疼痛的神經(jīng)調節(jié)。一個典型的例子是用于治療膀胱過動癥、尿失禁以及間質性膀胱炎（也稱膀胱疼痛綜合征）的骶神經(jīng)電刺激法。傳統(tǒng)的連續(xù)刺激方法可能導致不適感和疼痛感，特別是治療間歇性癥狀時（比如突發(fā)性尿急）。將電極直接物理連接到神經(jīng)上可能會導致患者受傷和產(chǎn)生炎癥，此外，典型的電刺激方法在實施時會瞄準較大的神經(jīng)束，而神經(jīng)束由多重結構組成，因此這些刺激不具有器官特異性。
針對這一問題，美國西北大學John A.Rogers院士團隊聯(lián)合華盛頓大學圣路易斯分校RobertW. Gereau IV教授研究團隊開發(fā)設計了一種微型生物光電植入裝置，該裝置通過以下手段來解決上述問題：
- (1). 利用微米尺度無機發(fā)光二極管來刺激視蛋白的光刺激界面；
- (2). 建立允許連續(xù)測量器官功能的柔性高精度生物物理傳感器系統(tǒng)；
- (3). 開發(fā)能使系統(tǒng)協(xié)調閉環(huán)運行，實時消除病理行為的控制模組和數(shù)據(jù)分析方法。
在本文所報道的例子中，柔性應變儀可對小鼠膀胱功能進行實時監(jiān)測；數(shù)據(jù)算法可以識別出病理行為，自動化閉環(huán)光遺傳學可對膀胱感覺傳入進行神經(jīng)調節(jié)，使膀胱功能正?；?。這種全光神經(jīng)調節(jié)方案提供了長期穩(wěn)定性和刺激特定類型細胞的潛力。
該研究結果證明了這種裝置和方法在監(jiān)測和調節(jié)膀胱功能方面的效用，但其核心思想和支持的技術平臺可以很容易地進行調整，以解決與膀胱相關的一系列應用問題。例如,光電刺激和傳感模塊可以修改集成多個生物物理(溫度、流量、壓力,等等)和/或生化(代謝產(chǎn)物、蛋白質、激素等)傳感器，可以和各種類型的驅動器(如光、電、藥理)進行搭配來提供所需的調制。因此，從這個意義上來說，該研究開發(fā)的技術系統(tǒng)在生理學、病理學、臨床前和臨床研究中具有廣泛的用途。
參考文獻：Mickle, A.D., Won, S.M., Noh, K.N. etal. A wireless closed-loop systemfor optogenetic peripheral neuromodulation.Nature 565, 361–365 (2019).
2.Cell(綜述)：新興的可植入神經(jīng)調節(jié)技術
用于神經(jīng)調節(jié)和/或神經(jīng)修復的可植入式裝置現(xiàn)在得到越來越多的重視和研究，經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前該領域已經(jīng)取得了很多的突破性成果，并作為患者群體和相應的一系列健康狀況條件下的高效治療手段得到了一定的應用。這些成果一是來自于我們對神經(jīng)控制器官功能機制的理解提高了，二是可編程方式精確調節(jié)這些功能技術的進步。然而，目前大部分還是應用于動物模型，在未來，不同的神經(jīng)調節(jié)模式將超越那些由少量電極采集的簡單電刺激所支持的模式，從而提供更多的功能、擴展的應用、改進的效用和減少的侵襲性。
針對這一領域的研究現(xiàn)狀、待解決的問題以及未來的發(fā)展方向，美國西北大學JohnA. Rogers院士團隊在《Cell》上發(fā)表了關于可植入神經(jīng)調節(jié)技術的最新進展綜述文章。在綜述中，作者強調了神經(jīng)調節(jié)系統(tǒng)在基礎研究和細胞培養(yǎng)、類器官和動物模型水平的學術研究中都有直接的用途。盡管許多潛在的概念是非常有吸引力的，但是在臨床應用實現(xiàn)這些全部的潛能仍然有很大的挑戰(zhàn)。在文中，作者提出了三個主要的挑戰(zhàn)：
- (1)先進的形式記錄/刺激和監(jiān)控/治療神經(jīng)系統(tǒng)疾?。?/li>
- (2)高時空分辨率和可伸縮性(成千上萬的活躍渠道)高保真操作；
- (3)在材料、表面化學、力學和幾何方面具有長期穩(wěn)定的生物相容性，并為特定用途量身定做。
參考文獻：S.M. Won, E. Song, J. Reeder and J.A.Rogers, “Emerging Modalities and Implantable Devices forNeuromodulation,” Cell 181, 115-135 (2020).
3. Nature Materials(綜述)：用于慢性神經(jīng)界面的柔性生物電子材料
可以用作長期穩(wěn)定，高性能的電子記錄和刺激接口的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)其他部分的工程系統(tǒng)，具有跨宏觀區(qū)域的細胞水平分辨率，是神經(jīng)科學和生物醫(yī)學界廣泛關注的問題。用于這些目的的生物相容性材料的開發(fā)和柔性植入物的設計仍然面臨挑戰(zhàn)，比如材料或系統(tǒng)的最終目標是達到接近常規(guī)基于晶圓技術的系統(tǒng)性能以及能夠達到人類壽命的工作時間。
美國西北大學John A. Rogers院士、EnmingSong等人在《Nature Materials》上發(fā)表了關于用于慢性神經(jīng)界面的柔性生物電子材料的綜述。在這篇綜述文章中，作者主要梳理了這一研究領域的最新進展，重點介紹了在生物相容性、電子功能、生物體液長期穩(wěn)定運行和體內使用可靠性等方面所必需的主動和被動成分材料、設計結構和集成方法。
研究了能夠在高時空分辨率下進行大區(qū)域多路電生理測繪的生物電子系統(tǒng)，特別是關注那些在活體動物模型中已被證明具有慢性穩(wěn)定性的生物電子系統(tǒng)，以及在人腦尺度上可擴展到數(shù)千個通道的生物電子系統(tǒng)。在最后作者表明，材料科學的研究將繼續(xù)鞏固這一研究領域的進展。
參考文獻：Song, E., et al. Materials forflexible bioelectronic systems as chronic neural interfaces. Nat. Mater. 19,590–603 (2020).
4.Nature Biomed Eng：用于監(jiān)測慢性疾病和愈合過程的生物可吸收壓力傳感器
顱內壓、眼內壓和血管內壓在臨床上分別用于創(chuàng)傷性腦損傷、青光眼和高血壓的診斷和治療，而傳統(tǒng)用于測量這些壓力的裝置需要在相關手術時間后進行手術摘除。相比之下，生物可吸收傳感器可以消除了這一缺點，從而最大限度地降低了感染風險，降低了護理成本，并減輕了患者的痛苦。然而，目前可用的生物可吸收壓力傳感器的使用壽命不足以滿足許多臨床需求。
針對這一問題，美國西北大學John A. Rogers院士聯(lián)合華盛頓大學醫(yī)學院WilsonZ. Ray?教授課題組聯(lián)合對傳感器的材料、器件結構和制造方法進行優(yōu)化，開發(fā)了一種壽命相比于之前報告的壽命至少延長十倍的生物可吸收壓力傳感器。研究中的整個方案依賴于利用聚合二甲基硅氧烷(PDMS)焙燒形成的非晶態(tài)硅粘接層來粘接一對絕緣體上硅(SOI)晶片，鍵合后消除手柄晶片產(chǎn)生超薄、無機生物可吸收電子傳感器，具有堅固的生物液屏障和允許長時間穩(wěn)定運行。
通過對大鼠進行25天的顱內壓監(jiān)測，結果證明了研究中使用的生物可吸收壓力傳感器具有準確性高，漂移小，總體性能優(yōu)于不可吸收的臨床標準傳感器的優(yōu)點。這些結果不僅為滿足臨床使用要求的生物可吸收壓力監(jiān)測技術建立了途徑，而且還為廣泛種類的生物可吸收電子設備提供了借鑒意義。
參考文獻：J. Shin, Y. Yan, W，W.Z. Ray and J.A. Rogers,”Bioresorbable Pressure Sensors Protected with Thermally Grown SiliconDioxide for the Monitoring of Chronic Diseases and Healing Processes,”Nature Biomedical Engineering 3, 37-46 (2018).
5. Nature Biomed Eng：針形超薄壓電微系統(tǒng)，通過機械傳感引導組織靶向
在世界范圍內，癌癥是僅次于心腦血管的主要死亡原因，活組織檢查對于診斷、評估治療反應和在個性化藥物時代指導治療是必不可少的。因此，準確的組織活檢在大多數(shù)癌癥的管理中是至關重要的。然而，即使是在醫(yī)學技術十分發(fā)達的美國，很多醫(yī)學中心使用的的泛癌臨床試驗都無法將活組織檢查失敗率降低到20%以下。同時，在基于針的活檢過程中準確定位腫瘤部位對診斷和癌癥治療中的個性化治療至關重要，但是大約有五分之一的活檢樣本無法進行分析，原因是活檢針在圖像引導下不精確地定位腫瘤，導致提取的惡性癌細胞數(shù)量達不到分析標準。因此導致目前用于指導活檢的成像方式要么不能提供足夠的信息，要么不適合廣泛應用于臨床。
為了克服這一問題，美國西北大學John A.Rogers院士、黃永剛院士聯(lián)合美國血管與介入放射學、微創(chuàng)治療學實驗室RahmiOklu?等人聯(lián)合開發(fā)了一種針狀超薄壓電微系統(tǒng)，它可以被注射或直接安裝在常規(guī)活檢針上，通過定量實時測量組織模量的變化，在捕獲活檢樣本期間用于區(qū)分異常組織。利用特征良好的合成軟材料、移植的組織和動物模型，研究者從實驗和理論上建立了微系統(tǒng)的基本工作原理。通過對有癌性病變的人體肝臟的系統(tǒng)測試，研究者們證明了壓電微系統(tǒng)與磁共振彈性成像提供了定量的一致性，而磁共振彈性成像是臨床測量組織模量的黃金標準。這些研究為提高組織靶向性的微創(chuàng)傳感器奠定了基礎(其中楊氏模量是指導組織和基因檢測準確采集標本的基礎)。
參考文獻：X. Yu, H. Wang, X，Y. Huang, R. Oklu and J.A. Rogers,”Needle-shaped Ultrathin Piezoelectric Microsystem for Guided TissueTargeting via Mechanical Sensing,” Nature Biomedical Engineering 2,165-172 (2018).
6.Nature Biomed Eng：光譜表征生理狀態(tài)和神經(jīng)活動的生物可吸收光子器件
實時監(jiān)測體內生理過程有助于給藥時刻表設定，外科手術過程規(guī)劃，以及康復管理。現(xiàn)有方法依賴于體外成像技術或植入傳感器，這些方法不能在臨床相關時間尺度上提供連續(xù)信息，并且/或需要昂貴且高風險的手術過程。
針對這一問題，美國西北大學John A.Rogers院士團隊設計了一類基于人體可吸收材料的注射式光子裝置[該裝置含有一系列生物可吸收光學組件，包括:基于器件級單晶硅納米膜(Si納米膜)的單結光電探測器、基于Si P-N結的三層疊片和三色光電探測器、SiOx和SiNy光學多層濾波器和聚乳酸-乙醇酸(PLGA)光纖]，用于光譜表征目標組織和體液。作為范例，作者演示了該裝置可用來連續(xù)監(jiān)測自由移動小鼠的大腦溫度，氧化作用和神經(jīng)活動。作者認為，這類裝置在疾病病理學基礎、神經(jīng)科學研究、手術治療以及恢復過程監(jiān)測中會發(fā)揮作用。
參考文獻：Bai, W., Shin, J., Fu, R. et al.Bioresorbable photonic devices for thespectroscopic characterization ofphysiological status and neural activity. Nat Biomed Eng 3, 644–654 (2019)
7.Nature Medicine：無線生物可吸收電子系統(tǒng)助力持續(xù)非藥物神經(jīng)再生治療
外圍神經(jīng)損傷是公共衛(wèi)生的一個重大問題，占所有創(chuàng)傷病例的5%。對于嚴重的神經(jīng)損傷，即使采用先進的臨床干預手段，也往往會導致運動和/或感覺功能不能達到令人滿意的程度。許多研究指出藥物方法(如生長因子、免疫抑制劑)在嚙齒類動物模型中加速和增強了神經(jīng)再生的潛力，但是，這些藥物很少能在臨床實踐中產(chǎn)生積極的反響。術中直接電刺激法一種新的非藥物、生物電療法，它可以修復近端受損神經(jīng)組織來增強和加速受損神經(jīng)功能的恢復。但是，這項技術的一個重大局限性是現(xiàn)有的協(xié)議僅限于術中使用以及治療效果有限。
針對這一問題，美國西北大學John A. Rogers院士、華盛頓大學醫(yī)學院WilsonZ. Ray教授聯(lián)合開發(fā)了一個生物相容性和生物可吸收的無線、可編程電子外圍神經(jīng)刺激系統(tǒng)，首次報道了在嚙齒類動物模型中，由于受傷神經(jīng)組織的多次電刺激而增強神經(jīng)再生和功能恢復。該系統(tǒng)通過使用無線生物可吸收電子技術，對病灶組織的程序化電刺激超過術中間隙6天，這是一種有效的非藥物輔助治療神經(jīng)損傷的方法。這些發(fā)現(xiàn)為廣泛種類的生物可吸收電子植入物奠定了工程基礎，這些植入物可作為在一系列臨床應用中神經(jīng)再生生物電子干預的功能通道。此外，這些系統(tǒng)還可以廣泛適用于各種目標組織和器官系統(tǒng)。
參考文獻：J. Koo, M.R. MacEwan, W.Z. Ray and J.A.Rogers, “Wireless Bioresorbable Electronic System Enables SustainedNon-Pharmacological Neuroregenerative Therapy,” Nature Medicine 24,1830-1836 (2018).
8.Nature Electronics：用于神經(jīng)科學研究的無電池、多模式操作全植入式光電系統(tǒng)
微生物視蛋白的發(fā)現(xiàn)及其在神經(jīng)科學研究中的應用，為利用光學手段激活靶向神經(jīng)元提供了基礎，并導致了一套新的神經(jīng)科學研究方法，統(tǒng)稱為光遺傳學。光遺傳學可以通過激活和抑制大腦和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中選定的行為中心而得到了廣泛的應用。在這項應用中，將適當強度的光傳遞到靶向組織至關重要，最簡單和最常見的方法是將光學纖維物理地拴在外部光源上，但這種機械和光學接口會對周圍組織造成損傷并導致光衰減。最近推出的無線微型化真皮下平臺，可在無電池的操作模式下提供光，從而最大限度地減少微運動和減少探針界面的疤痕形成。同時，它們還可以不受約束地進行操作。但是這些開發(fā)和報道的裝置暫時還不能保證對光強度的精確控制，也不能支持多模式操作或對多個設備的獨立控制。
鑒于此，美國西北大學John A.Rogers院士研究團隊報道了一種可編程、多模態(tài)光遺傳學的全植入式、無線光電系統(tǒng)，可以滿足神經(jīng)科學研究的許多需求。在該系統(tǒng)中，無電池的磁諧振耦合操作允許在動物身上進行不確定性實驗，完全不受物理或慣性運動的約束。具體來說，通過對排放強度的閉環(huán)反饋和高效的單向通信協(xié)議，實驗者可以對基本操作參數(shù)進行實時控制。與此同時，這套系統(tǒng)具有強大的能量收集能力，可以保持足夠的光功率水平，即使是在大型實驗環(huán)境中也可以成功的產(chǎn)生光刺激。這些工具不僅促進了標準的光發(fā)生實驗研究，而且還為可自由移動的動物創(chuàng)造了新的實時監(jiān)測手段。例如，可以用于雙側光基因刺激，對神經(jīng)元群體進行個體控制、對個體刺激對象進行社會實驗，以及在體內，通過精確控制發(fā)射強度對新視蛋白進行快速表征。
參考文獻：P. Gutruf, V. Krishnamurthi, D. Chandaand J.A. Rogers, “Fully Implantable Optoelectronic Systems for Battery-free,Multimodal Operation in Neuroscience Research,” Nature Electronics 1,652-660 (2018).
9.Nature Communications：小型動物無線起搏器用于生物醫(yī)學研究
動物模型在研究心血管疾病的發(fā)病機理和研究心臟健康的多因素(包括遺傳和環(huán)境因素)中發(fā)揮著關鍵作用。但是這些因素需要數(shù)年才能在人類身上完全體現(xiàn)出來，而利用小動物、原生動物或基因工程動物可以加速這些機制的研究(現(xiàn)在實驗中使用較多的是利用電起搏器來誘導動物心率加快)。最近開發(fā)的基于光遺傳學的技術可以利用光刺激基因靶向的光激活蛋白去極化心臟細胞，從而有效地加速和去纖顫，與電起搏相比，光生心臟和自主神經(jīng)刺激可通過選擇性刺激特定神經(jīng)元或心肌細胞亞群進行功能解剖。但是光纖技術對有意識的、自由移動的動物模型或長期體內研究的適用性有限，比如傳統(tǒng)光纖的高模量剛性特性會阻礙體內觀察和阻礙對慢性疾病的研究，特別是在快速移動的軟組織系統(tǒng)(如心臟)。
針對這一問題，美國西北大學John A.Rogers院士、PhilippGutruf教授和華盛頓大學Igor R. Efimov等人聯(lián)合開發(fā)了一種高度微型化的無線能量收集和數(shù)字通信電子系統(tǒng)，用于薄、微型起搏平臺，其重量僅為110 mg，可皮下植入，并能承受200,000多個多軸應變循環(huán)，而不會降低電學或光學性能。數(shù)日的體外和體內多模和多點起搏的研究表明，該系統(tǒng)具有長期的穩(wěn)定性和優(yōu)良的生物相容性。作者指出，這種通過動物控制和通過慢性起搏誘發(fā)心力衰竭來對心動周期進行光遺傳學刺激，可作為與基礎和應用型心血管研究及生物醫(yī)學技術相關的操作模式的例子。
總的來說，該研究中設計的多模式和慢性植入式心臟起搏器具有無線和無電池功能，非常適合用于小動物模型，如大鼠。該系統(tǒng)的設計與MRI和CT成像兼容，可使自由運動的受試者在無機械或功能退化的情況下進行慢性起搏。這種超輕、柔性和單片結構在設計上提供了良好的生物相容性，與柔性印刷電路板技術的制造能力相匹配，具有廣泛的推廣潛力。
參考文獻：Gutruf, P., Yin, R.T., Lee, K.B. etal.Wireless, battery-free, fully implantable multimodaland multisite pacemakersfor applications in small animal models. Nat Commun 10, 5742 (2019)
10.Science Advances：用于局部組織血氧測量的皮下植入式無線無源光電系統(tǒng)
區(qū)域組織氧化程度反映了氧氣供給和需求之間的平衡，是一個各種生理和病理過程的標志。在小動物模型上的研究表明，由于O2動力學與神經(jīng)活動、組織灌注、腫瘤微環(huán)境、創(chuàng)面愈合級聯(lián)以及許多其他因素之間的相互作用，高度定位的組織氧合水平可以得出個人很多組織或器官健康參數(shù)?？煽康谋O(jiān)測系統(tǒng)不僅可以提高對O2介導的生物過程的理解，而且對臨床診斷和治療指導有重要的參考價值。但是現(xiàn)有的組織氧合評估技術存在一系列缺點，比如需要接線（需要接入O2電極，光纖等）、麻醉劑、特殊裝置等，因此經(jīng)常會給測試對象的自然行為帶來干擾。
鑒于此，美國西北大學John A.Rogers院士研究團隊設計了一套小型化、可完全植入式無線血氧定量法系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在動物清醒狀態(tài)下，不加束縛地對其特定組織區(qū)域進行血氧定量，例如小鼠大腦深處。為了實現(xiàn)這一特性，該系統(tǒng)結合了
- （1）用于連續(xù)感測局部血紅蛋白動力學的微米級光電器件和
- （2）用于連續(xù)無線電源傳送和數(shù)據(jù)輸出的先進設計。
該系統(tǒng)小型化的外形因素(可注射部件的尺寸與其他微創(chuàng)技術相似)、輕質結構(約80mg)、機械兼容的設計和生物相容性的包埋材料有利于植入，最小化組織損傷，并提供了強大的、慢性手術的潛在能力。作者認為，本文的結果為研究自然行為個體中各類O2介導的生理過程創(chuàng)造了大量機會，給生物醫(yī)學研究和臨床實踐帶來了啟示。
參考文獻：Zhang, Hao, et al. “Wireless,battery-free optoelectronic systemsas subdermal implants for local tissueoximetry.” Science advances 5.3(2019): eaaw0873.
【三】先進微型器件制造技術
1.Nature Materials：多穩(wěn)定彎曲力學可形變3D微電子器件
具有形狀可以在不同形態(tài)之間定性可逆改變的3D結構在工程中有很重要的應用，例如可展開空間結構、生物醫(yī)學設備、微機電系統(tǒng)(MEMS)、機器人和超材料。許多這樣的可逆結構3D系統(tǒng)的設計靈感來自于古老的折紙/剪紙藝術，這主要是可以通過主動折疊和展開預先設計的折痕和切割的薄片來實現(xiàn)各種形狀。
但是要想同時應用于大范圍的尺寸，并與最先進的微系統(tǒng)技術中的各種先進材料相結合，仍然是一個挑戰(zhàn)。比如，這些方法并不容易應用于高性能的平面薄膜材料或微/納米尺度的結構器件(這些器件涉及各種材料和現(xiàn)有的電子、光電子和微機電系統(tǒng)中的元件器件設計)。
美國西北大學John A.Rogers院士、黃永剛院士和清華大學YihuiZhang教授研究團隊聯(lián)合提出了一套策略和設計概念來解決這個問題。首先，作者利用雙軸預緊彈性體平臺和二維前體的方案來裝配三維細觀結構。因為之前的研究表明簡單的雙軸釋放預應變使確定性的三維組裝可以通過連續(xù)和平滑的形狀變化。
其次，作者采用釋放序列和特別設計的前驅體設計來保證多種不同三維屈曲模式的穩(wěn)定，從而提供可逆重構的能力。該方法利用在不同時間序列下變形的彈性體平臺，通過非線性力學屈曲彈性的改變支撐微觀結構的三維幾何形狀。作者通過實驗和理論研究了超過20個例子，包括具有可識別形式的復雜物體(例如，章魚、蜘蛛、鳥、楓葉、房子和籃子)和可以在三到四種不同狀態(tài)下重新配置的細觀結構，說明了該策略的通用性。該研究所報道的系統(tǒng)的二維到三維幾何轉換中固有的雙穩(wěn)定性和多穩(wěn)定性的基礎研究，為設計具有獨特、可重構拓撲的三維介觀結構建立了一般的理論基礎。
參考文獻：H. Fu, K. Nan, Y. Huang, Y. Zhang andJ.A. Rogers, “Morphable 3D Mesostructures and Microelectronic Devices byMultistable Buckling Mechanics,” Nature Materials 17, 268-276 (2018).
2.Nature Electronic：用于振動能量收集、機器人傳感界面和生物醫(yī)學植入裝置的3D壓電高分子微系統(tǒng)
壓電微系統(tǒng)在機械傳感、能源轉化和機器人等領域有重要作用。壓電微系統(tǒng)通常是平面結構，但將轉化為復雜的三維結構則可能提升并擴展其工作狀態(tài)。有鑒于此，美國西北大學JohnA. Rogers院士、黃永剛院士和清華大學Yihui Zhang等人采用一種可控的非線性屈曲過程，將光刻所得2D電極圖案以及壓電高分子薄膜轉化為復雜的3D壓電微系統(tǒng)。
為證明此方法的普適性，作者給出了20個多不同的3D幾何結構。基于這些結構，作者實現(xiàn)了具有可調機械性質和均方根電壓（2-790mV）的能量捕捉裝置；應用于機器人假肢界面的具有更高響應性（例如，各向異性響應以及法向力下60mVN?1的靈敏度）的多功能傳感器；能在體內運行的生物一體化裝置?？傊@些3D幾何結構，特別是那些具有超低剛度或非對稱結構的，具有傳統(tǒng)2D設計難以實現(xiàn)甚至不能實現(xiàn)的獨特力學屬性和功能性。
參考文獻：Han, M., Wang, H., Yang, Y. et al.Three-dimensional piezoelectricpolymer microsystems for vibrational energyharvesting, robotic interfaces andbiomedical implants. Nat Electron 2, 26–35(2019).
3.Science Advances：三維微觀結構中的機械活性材料
包含先進機械活性材料的復雜3D微機電系統(tǒng)(MEMS)由于其在許多新興體系(如加速器、慣性制導、細胞力學、高精度質量傳感和微流體控制等等)中的潛在應用而受到廣泛關注。壓電材料，特別是結構緊湊和輕便的薄膜壓電，是3D MEMS執(zhí)行器的基礎，它可以在小的驅動電壓下產(chǎn)生具有線性力和位移響應的快速開關。如何在3D MEMS中合理部署這樣的壓電元件，從而整體集成到復雜的3D框架中仍是當前工作的一個難題。
基于此，美國西北大學John A.Rogers院士團隊在《Science Advances》上發(fā)文介紹了引導組裝和非均勻材料集成的策略，以實現(xiàn)復雜的三維微尺度機械框架(其中包含多個獨立定位的壓電薄膜驅動器，用于振動激勵和精確控制)。這種策略結合了轉移印刷作為材料集成的方案和結構屈曲作為2D到3D幾何變換的手段，用于平面或曲線表面上從簡單的對稱布局到復雜的層次結構的設計。作者利用系統(tǒng)的實驗和計算研究揭示該策略潛在的特性和能力，包括選擇性激發(fā)目標振動模式，以同時測量周圍流體的粘度和密度。這些結果為具有生物感應、機械生物學、能量采集等獨特功能的不同尋常的機械活動三維結構奠定了基礎。
參考文獻：X. Ning, X. Yu, Y. Zhang and J.A.Rogers, “Mechanically Active Materials in Three-DimensionalMesostructures,” Science Advances 4: eaat8313 (2018).
4.Nature Communications：功能3D結構中的2D材料在光電檢測和成像中的應用
與2D平面材料相比，部署在復雜的3D結構中的電子和光電子材料可以提供擴展級別的功能，并且現(xiàn)有的大量研究表明了3D結構在用簡單的材料獲得獨特的性能方面有巨大的價值。剪紙受到折紙藝術的啟發(fā)，擁有復雜的三維結構，有望成為2D到3D轉換的有效路徑，但目前的研究缺乏功能材料、力學設計、系統(tǒng)級架構的組合，以及具有獨特操作特性的實用設備的集成能力。基于此，美國西北大學John A.Rogers院士聯(lián)合延世大學Jong-Hyun Ahn教授研究團隊通過演示可以測量入射光的方向、強度和角散度特性的復雜、機械組裝的三維光成像系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)二維半導體/半金屬材料可以在2D到3D轉換情況下發(fā)揮關鍵作用。具體來說，利用石墨烯和二硫化鉬力學原理以及配置合適的聚合物支撐薄膜，可以形成獨特的三維結構光電探測器陣列，包括八角形棱鏡、八角形棱鏡和半球形穹頂。
參考文獻：W. Lee, Y, J.-H. Ahn and J.A. Rogers,”Two-Dimensional Materials in Functional Three Dimensional Architectureswith Applications in Photodetection and Imaging,” Nature Communications 9:1417 (2018).
5.Science Translational Medicine：高清晰度、長期記錄的神經(jīng)接口
由于目前大部分研究和使用的神經(jīng)接口設備的傳感觸點數(shù)量有限，因此它們只能對大腦進行粗略采樣或者限制于對一個小的神經(jīng)元體積進行采樣。提高神經(jīng)接口設備的吞吐量，以高密度同時采集大區(qū)域的高保真大腦信息是研究和臨床應用中的迫切需求，同時，超薄而靈活的持久、高分辨率神經(jīng)接口對于精確的大腦映射和高性能的神經(jīng)假體系統(tǒng)至關重要。要想對大腦的數(shù)千個區(qū)域進行采樣，就需要將電力電子集成到幾根外部導線上，將多個電極進行多路復用。然而，現(xiàn)有的多路電極陣列受限于封裝策略和有限的植入壽命。
為了解決這一難題，美國西北大學John A.Rogers院士、杜克大學Jonathan Viventi教授和紐約大學神經(jīng)科學中心BijanPesaran教授研究團隊開發(fā)了一種靈活的多路電極陣列，稱為神經(jīng)矩陣，它可以非常穩(wěn)定的提供嚙齒類動物和非人靈長類動物體內的神經(jīng)記錄(預計至少持續(xù)6年)。研究者對目前最先進的技術進行了以下五點改進，開發(fā)了該研究中的神經(jīng)矩陣：
- (i)通過在每個電極接觸處集成靈活的有源電子器件，可擴展到超過1000個通道，外部導線少于100根。
- (ii)超薄(~ 29um)，保證與大腦的適形接觸，提高信號壽命；通過
- (iii)使用t-SiO2封裝策略和
- (iv)將電傳感方法從法拉第式改為電容式，可以延長器件壽命；
- (v)通過使用集成人工硬腦膜陣列封裝，在NHPs中實現(xiàn)了快速、迭代的體內測試。
此外，研究中使用的是標準的硅制造工藝，可以在提高傳感器分辨率和更大的覆蓋范圍的同時來降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。
參考文獻：C.-H. Chiang, S.M. Won, J.A. Rogers andJ. Viventi, “Development of a Neural Interface for High-Definition,Long-Term Recording in Rodents and Non-Human Primates,” ScienceTranslational Medicine 12, eaay4682 (2020).
6.Nature Communications：興奮性VTA→DH投射為記憶電路提供價信號
積極或消極的經(jīng)歷通常會導致具有相似價值的記憶的形成。這些有“價值”的記憶會在經(jīng)歷很長一段時間內影響個體的威脅規(guī)避和獎賞行為，尤其是在與它們的價值相一致的情感狀態(tài)下。然而，持久的情感記憶偏差也有不良的后果：有負面價的記憶通過觸發(fā)恐懼，在不再預測危險的情況下恢復而導致焦慮癥；盡管個體會意識到藥物對健康有威脅作用，但積極價記憶還是會引發(fā)毒癮復發(fā)。背海馬體(DH)有確認情景記憶的形成和檢索的作用，即關于對個人經(jīng)歷、事件發(fā)生的地點和時間的記憶。情景記憶的感覺、空間和時間成分的形成需要從皮質輸入到DH神經(jīng)元，近年來科學家對皮質輸入到DH神經(jīng)元的理解有了顯著的進展，特別是在描述齒狀回顆粒細胞中不連續(xù)的內嗅皮層投射的作用時。但是，信號價到DG神經(jīng)元的電路還沒有被確定。腹側被蓋區(qū)(VTA)中腦多巴胺神經(jīng)元的活動長期以來被認為與獎賞信號有關。然而，由于發(fā)現(xiàn)從VTA到DH的多巴胺能投射稀少，以及多巴胺記憶機制主要涉及藍斑核的投射，最近提出的關于DH投射的VTA多巴胺神經(jīng)元在記憶中的作用受到了質疑。
針對這一問題，美國西北大學John A.Rogers院士、Jelena Radulovic教授研究團隊發(fā)現(xiàn)表明興奮性、非多巴胺的VTA神經(jīng)元向DH記憶電路發(fā)出正負信號。這可以優(yōu)先提取消極和積極的記憶，而不是中性的記憶，這解釋了不同研究中的結果差異。同時，在研究中作者發(fā)現(xiàn)神經(jīng)傳導對性別有一定的依賴性，比如在恢復恐懼或阿片類藥物誘導的位置偏好后，女性的VTA→DH末端密度高于男性，而在激活VTA→DH末端時，谷氨酸電流衰減更快，因此，這也是女性更容易患有抑郁癥等精神疾病的原因。
參考文獻：Y. Han, Y. Zhang, H. Kim, J.A. Rogersand J. Radulovic, “Excitatory VTA to DH Projections Provide a ValenceSignal to Memory Circuits,” Nature Communications 11(1), 1-14 (2020).
除了以上部分頂刊論文，John A. Rogers院士研究團隊在近三年還發(fā)表了8篇PNAS：
1.PNAS: 人體動脈血壓與脈搏波速的關系
參考文獻：Y. Ma, J. Choi, J.A. Rogers andYonggang Huang, “Relation Between Blood Pressure and Pulse Wave Velocityfor Human Arteries,” Proceedings of the National Academy of Sciences115(44), 11144-11149 (2018).
2.PNAS:傳導耦合柔性硅電子系統(tǒng)用于慢性神經(jīng)電生理監(jiān)測
參考文獻：J. Li, E. Song, J. Viventi and J.A.Rogers, “Conductively Coupled Flexible Silicon Electronic Systems forChronic Neural Electrophysiology,” Proceedings of the National Academy ofSciences USA 115(41), E9542-E9549 (2018).
3.PNAS: 用于監(jiān)測大腦深部神經(jīng)元動態(tài)的無線光電光度計
參考文獻：L. Lu, P. Gutruf, M.R. Bruchas and J.A.Rogers, “Wireless Optoelectronic Photometers for Monitoring NeuronalDynamics in the Deep Brain,” Proceedings of the National Academy ofSciences E1374-E1383 (2018).
4.PNAS：用于長期生物集成的大規(guī)模柔性電子/光電微系統(tǒng)
參考文獻：Song, Enming, et al. “Flexibleelectronic/optoelectronicmicrosystems with scalable designs for chronicbiointegration.”Proceedings of the National Academy of Sciences 116.31(2019): 15398-15406.
5.PNAS：用于體內光遺傳學/藥物學治療的輕質無源無線注射式微系統(tǒng)
參考文獻：Zhang, Yi, et al. “Battery-free,lightweight, injectablemicrosystem for in vivo wireless pharmacology andoptogenetics.” Proceedingsof the National Academy of Sciences 116.43(2019): 21427-21437.
6.PNAS：記錄慢性神經(jīng)動力學的無線、無源皮下植入光度計系統(tǒng)
參考文獻：A. Burton, S.N. Obaidb, J.A. Rogers, L.Lu and P. Gutruf, “Wireless, Battery-free Subdermally ImplantablePhotometry Systems for Chronic Recording of Neural Dynamics,” Proceedingsof the National Academy of Sciences, USA 117(6), 2835-2845 (2020).
7.PNAS：利用硬膜和軟基板的界面力學來控制屈曲3D組裝
參考文獻：Y. Liu, X. Wang, J.A. Rogers and Y.Zhang, “Harnessing the Interface Mechanics of Hard Films and SoftSubstrates for 3D Assembly by Controlled Buckling,” Proceedings of theNational Academy of Sciences USA 116(31), 15368-15377 (2019).
8.PNAS：屈曲和扭轉工藝實現(xiàn)基于先進材料的形變3D介觀結構
參考文獻：Zhao, Hangbo, et al. “Buckling andtwisting of advanced materialsinto morphable 3D mesostructures.”Proceedings of the National Academy of Sciences (2019): 201901193.
John A. Rogers院士簡介
John A. Rogers教授于1995年在麻省理工學院(MIT)獲得物理化學博士學位，曾在Bell實驗室擔任凝聚態(tài)物理研究部主任。從2003開始，Rogers教授在伊利諾伊大學香檳分校擔任材料科學與工程系講席教授。2016年起，擔任美國西北大學材料科學與工程、生物醫(yī)學工程和醫(yī)學學科Louis Simpson and Kimberly Querrey講席教授，并兼任生物集成電子中心創(chuàng)始主任。
John A. Rogers教授是美國國家科學院、美國國家工程院、美國藝術與科學院院士，電氣和電子工程師協(xié)會研究員(IEEE; 2009) ,美國物理學會會員(APS; 2006) ,材料研究學會會員(MRS; 2007) ,美國科學促進協(xié)會會員(AAAS;2008)和美國國家發(fā)明家學會會員(NAl; 2013)。John A. Rogers教授在仿生電子器件的設計與制造、可穿戴生物醫(yī)學電子器件等研究領域走在世界最前沿。曾獲得麥克阿瑟天才獎（2009年）、麻省理工學院萊梅爾遜獎（2011年）、the IEEE EMBS Trailblazer Award （2016）以及美國機械工程師學會頒發(fā)的納戴獎章（2017年）等多項大獎。
