研究人員開發出一種超薄生物電子膜，有望讓可穿戴設備一貼即可
發布時間 :2022-03-07
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加州大學洛杉矶分校（UCLA）的研究人員開發了一種獨特的超薄膜設計，用于高度靈活但機械性能良好的生物電子膜，為精确貼合人體輪廓并符合其運動的皮膚診斷傳感器鋪平道路。
《科學》雜志最近發表了一篇論文，描述了由化學和生物化學教授段向峰共同領導的這項研究，以及加州大學洛杉矶分校薩缪利工程學院材料科學與工程系教授兼系主任黃宇。
範德華力是分子間的相互作用，隻能在原子或分子之間非常近的距離發生。範德華力将膜結合在一起，使膜具有可伸縮性，能夠适應動态變化的生物基質，同時具有透氣性和對水和空氣的滲透性。耐用電子材料的進步可能會導緻醫療、保健、生物、農業和園藝等領域的無創電子産品的發展。研究人員将這種材料命名為範德瓦爾斯薄膜或VDWTF，它可以作為生物體采用電子功能的基礎平台。
從概念上講，這種薄膜就像一種薄得多的廚房保鮮膜，具有出色的半導體電子功能和不同尋常的可伸縮性，自然适應具有高度保形界面的軟生物組織，它可以開發多種功能強大的傳感和信号應用。例如，用這種材料制造的可穿戴健康監視設備可以精确跟蹤生物體水平或單個細胞水平的電生理信号。
研究人員利用這些薄膜進行了幾次演示，其中包括一個位于多汁植物葉子頂部的晶體管，其豐富的電解質被用來制作電子電路。他們還為人類皮膚制造了一種類似的晶體管，它利用皮膚細胞中的電解質來完成電路。此外，研究小組還開發了一種心電圖儀，它使用放在人的右前臂和左前臂上的小圓圈膠片，可以檢測到他們在冥想時的眨眼。
我們使用範德瓦爾斯薄膜進行的概念驗證演示實際上隻是暗示了這種新材料的無數可能性，這種膜可以作為人機界面、增強型機器人技術和人工智能技術的連接點，直接連接。這可能為合成電子細胞雜交開辟一條途徑，使電子增強的生物類似于半機器人。範德瓦爾斯薄膜的分層拼接設計使薄膜能夠在不規則的幾何形狀上拉伸和彎曲。這種超薄的、大約10納米的電子膜由幾層原子狀的無機化合物二硫化钼薄片構成。每片頭發隻有兩到三納米厚，比一根頭發的直徑薄一萬多倍。在保持薄膜薄的同時保持其結構完整性的關鍵在于其獨特的分層拼接結構。這些層不是一個單一的連續薄片，而是由更小的碎片組成的集合。這些層不是由剛性共價鍵固定，而是由非鍵範德華力松散連接。這使得床單可以彼此獨立滑動和旋轉，創造非凡的柔韌性，同時保持其電子功能完好無損。這種設計還使薄膜能夠在不規則的幾何形狀上拉伸和彎曲。薄膜可以緊貼在其微米級拓撲結構上的軟生物組織上，與動态變化的生物基質（如皮膚）無縫融合并積極适應，而不會撕裂或幹擾膜的功能。這種分層的拼接創造了一個納米通道的滲透網絡，其大小足以讓空氣和水分子通過，從而使材料具有滲透性和透氣性。
範德華薄膜以其高電子性能和延展性的不同尋常的結合，解決了其他生物電子薄膜候選者提出的許多挑戰，如無機膜或有機薄膜。這些替代品因其厚度、缺乏延展性、與生物表面不規則幾何形狀不相容，或在潮濕的生物環境中表現不佳而受到限制。
