植入式生物电子设备可以紧贴皮肤甚至放入人体，相信在未来将被广泛应用于不同领域，如医疗科技、增强现实(AR)技术等。


近日，理大研究团队成功研发出一种独特的微电极，能适用于上述用途。相关研究成果已发表于国际科学期刊《Science Advances》。


不同于传统的电子产品，可穿戴或植入式电子设备的用料需要整合一系列特定性能——比如必须能拉伸自如、柔软透气，放置于人体后也不会让使用者受伤或感到不适。不过，生物电子设备就像日常家居设备一样，需要依赖具有高导电性且可以印上微细电路图案的电极才能运作。


有见于此，由理大应用生物及化学科技学系软材料及器件讲座教授郑子剑教授牵头的跨学科研究团队(成员来自理大时装及纺织学院、生物医学工程学系、应用生物及化学科技学系、智能可穿戴系统研究院和潘乐陶慈善基金智慧能源研究院，以及香港城市大学和香港心脑血管健康工程研究中心)克服了多项技术限制，研发了一种能应用于植入式生物电子装置的电极。它具有前所未有的柔软度、可拉伸性和可渗透性，推动了可穿戴科技领域的发展。

郑子剑教授


该技术的关键步骤是将一种纤维聚合物通过静电纺丝的方法放到银质微型电路图案上，从而产生液态金属微电极(简称“μLME”)，它能够以超高密度进行电路图案化，达到每平方厘米75,500个电极，比过往的技术多出数千倍。这些μLME具有长期生物兼容性，穿戴在人体皮肤上触感舒适，更已被证明可用于监测动物大脑的特定应用。

高密度μLMEs(数字图像)，密度高达每平方厘米75,500个电极。


过去，生物兼容的电子设备均在多孔弹性体上制造，但其多孔而粗糙的基质限制了电路图案的分辨率，因此难以提高电极密度。研究团队成功突破这一瓶颈，通过光刻技术将电子线路放在纤维聚合物基质上，获得了如薄纸般柔软、能在大应变下高度导电并具有长期生物兼容性的μLME。

放在人类手臂上的μLMEs(数字图像)(LM负荷量，每平方厘米10毫克)


用作μLME导电组成部分的共晶镓铟(EGaIn)是一种具有低熔点温度、能在极端应变下保持导电性、柔软且高度生物兼容的液态金属合金。在制造过程中，用EGaIn制成的电路图案会放在一片经静电纺丝而成的可渗透“纤维垫”上，该垫为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)——通过这一方法制造的电子设备柔软、可拉伸，可供舒适地穿戴和植入。


这种超弹性纤维垫的概念由郑子剑教授的团队于2021年首次开发，现在也被应用于新开发的μLME中。相比于采用不渗透基质时仅能转移部分电极微电路图案，这种纤维聚合物基质保证了来自银模板的电极微电路图案能通过光刻技术完全转移。

从硅晶片转移至SBS纤维垫的Ag微型掩模图像(数字图像)。


除了柔软、可渗透液体和透气性外，μLME还具有很强的可拉伸性，在高应变下反覆拉伸、释放后，其电阻仅会轻微增加。用μLME制作的电子贴片贴在人体皮肤上时，受压后只会留下微量残留物，甚至没有残留物。可穿戴电子设备本身具有庞大的市场潜力，应用范围涵盖生理监测、医疗诊断、互动技术等领域，而此技术突破更将进一步增强可穿戴电子设备的发展可能性。


为验证μLME的柔软度和可拉伸性能使其成为植入神经介面以进行大脑监测的理想选择，团队还合成了具有小电极直径和高通道密度的μLME阵列，用作充当老鼠大脑中的皮层电图信号接收器。μLME具有与脑组织相似的机械性能，可紧贴皮质表面、准确记录神经信号。当沉睡中的老鼠发出非快速眼动睡眠时的典型可识别脑电波时，μLME阵列即能精确检测到老鼠回应施加在身体不同部位电刺激而产生的体感诱发电位。


作为理大智能可穿戴系统研究院副院长和潘乐陶慈善基金智慧能源研究院首席研究员，郑子剑表示：“通过结合光刻技术和柔软、可渗透的SBS纤维垫，凯发在线官网登录‘解锁’了分辨率和生物兼容性均达到新高度的μLME微电极，克服了以往生物电子设备生产方法的技术限制，可推动医疗和增强现实等领域的技术进步。”


郑子剑教授相信，μLME微电极可推动医疗和增强现实等领域的技术进步。


该研究项目获香港研资局“高级研究学者计划”以及理大、香港城市大学、国家科学自然基金委员会、InnoHK创新香港研发平台资助。团队期望通过提高刻印μLME图案的分辨率，进一步推广该项发明。