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用于可拉伸和坚固的生物电子膜的超薄膜,高度适应性的材料可能会导致新型可穿戴设备、诊断传感器和生物电子混合生物,中国玻璃网,meesm.com
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用于可拉伸和坚固的生物电子膜的超薄膜,高度适应性的材料可能会导致新型可穿戴设备、诊断传感器和生物电子混合生物
2022年03月10日    阅读量:     新闻来源:中国玻璃网 meesm.com  |  投稿

加州大学洛杉矶分校的研究人员已经开发出一种独特的超薄膜设计,用于高度灵活但机械坚固的生物电子膜,可以为精确贴合身体轮廓并符合身体运动的诊断皮肤传感器铺平道路。


《科学》杂志最近发表了一篇论文,描述了由化学和生物化学教授段祥峰共同领导的研究;加州大学洛杉矶分校萨缪里工程学院材料科学与工程系教授兼系主任黄宇。



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由范德华力结合在一起,分子间的相互作用只能在原子或分子之间的极近距离内发生,这种膜是可拉伸的,可适应动态变化的生物基质,同时对水和空气具有透气性和渗透性中国玻璃网meesm.com。耐用电子材料的进步可能会导致用于医学、保健、生物学、农业和园艺的非侵入性电子产品的发展。研究人员将这种材料命名为范德华薄膜(VDWTF),它可以作为生物体采用电子能力的基础平台。


“从概念上讲,这种薄膜就像一个更薄的厨房保鲜膜,具有出色的半导体电子功能和不同寻常的拉伸性,可以自然地适应具有高度共形界面的软生物组织,”段说。“它可以开辟各种强大的传感和信号应用。例如,用这种材料制造的可穿戴健康监测设备可以准确地跟踪有机体水平或单个细胞水平的电生理信号。”


研究人员使用这些薄膜进行了几次演示,包括一个位于多肉植物叶子顶部的晶体管,其丰富的电解质被用于创建电子电路。他们还为人体皮肤制造了一种类似的晶体管,该晶体管使用存在电解质的皮肤细胞来完成电路。此外,该团队还开发了一种心电图,它使用放置在人的左右前臂上的小圆圈薄膜,可以检测到他们在冥想期间的眨眼。


“我们使用范德华薄膜的概念验证演示确实暗示了这种新材料的无数可能性,”黄说。“该膜可以作为人机界面、增强型机器人技术和直接连接的人工智能技术的连接。这可以为合成电子-细胞混合体开辟一条途径——具有电子增强功能的类似半机械人的生物体。”


这种超薄的、大约 10 纳米尺寸的电子膜由几层原子级薄片的无机化合物二硫化钼制成。每张薄片只有两到三纳米厚——比人类头发的直径薄 10,000 多倍。


保持膜结构完整性同时保持其薄度的关键在于其独特的分层拼凑结构。这些层不是单个连续的片材,而是更小块的组合。


这些层不是通过刚性共价键固定在适当的位置,而是通过非键合范德华力松散连接。这使得纸张可以相互独立滑动和旋转,创造非凡的柔韧性,同时保持其电子功能完好无损。


该设计还使膜能够在不规则的几何形状上拉伸和弯曲。薄膜可以在其微米级拓扑结构上紧密贴合地粘附在软生物组织上,与动态变化的生物基质(如皮肤)无缝融合并主动适应,而不会撕裂或干扰膜的功能。


分层拼凑创造了一个纳米通道的渗透网络,足够大,空气和水分子可以通过它们,使材料具有渗透性和透气性。


凭借其高电子性能和延展性的不同寻常的组合,范德华薄膜解决了其他生物电子薄膜候选者(例如无机膜或有机薄膜)提出的许多挑战。这些替代品受限于它们的厚度、缺乏可拉伸性、与不规则的生物表面几何形状融合的不相容性,或者它们在潮湿的生物环境中的性能不佳。


该论文的其他作者均来自加州大学洛杉矶分校,分别是段氏课题组的严卓成、林兆阳、王佩琪、曹博成、任华英、宋伟和王成章;黄氏课题组的徐东、王来元、周景轩;以及生物工程研究生Xun Zhao和他的导师、加州大学洛杉矶分校萨缪里分校生物工程助理教授Jun Chen。


Duan 和 Huang 都是加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所 (CNSI) 的成员。


该研究得到了加州大学洛杉矶分校物理科学创业与创新基金的支持,并得到了 CNSI 贵族家庭创新基金的额外支持。作者感谢加州大学洛杉矶分校电子成像中心和加州大学洛杉矶分校纳米电子研究设施的技术支持。


加州大学洛杉矶分校技术开发小组已经申请了这项技术的专利。


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