清華大學(xué)教授：柔性傳感技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域最新突破

2017年12月20日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)研究中心馮雪教授課題組在Science Advances上發(fā)表了題為Skin-like biosensor system via electrochemical channels for noninvasive blood glucose monitoring的研究論文，報(bào)道《用于無(wú)創(chuàng)血糖監(jiān)測(cè)的電化學(xué)雙通道類(lèi)皮膚生物傳感系統(tǒng)》。 該成果基于類(lèi)皮膚柔性傳感技術(shù)建立了新的無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量醫(yī)學(xué)方法，在人體皮膚表面實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)意義上的無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量并具有醫(yī)療級(jí)精度，為解決無(wú)創(chuàng)血糖動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)提供了一條新途徑，對(duì)全球數(shù)以?xún)|計(jì)的糖尿病患者的治療與慢病管理具有重要的社會(huì)意義。

在這一工作中，馮雪課題組發(fā)展了基于力學(xué)-化學(xué)耦合原理的電化學(xué)雙通道無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量方法，利用可以與人體自然共型貼附的柔性電子器件，對(duì)皮膚表面施加不會(huì)引起皮膚不良反應(yīng)的電場(chǎng)，通過(guò)離子導(dǎo)入的方式改變組織液滲透壓，調(diào)控血液與組織液滲透和重吸收平衡關(guān)系，驅(qū)使血管中的葡萄糖按照設(shè)計(jì)路徑主動(dòng)、定向地滲流到皮膚表面，繼而通過(guò)只有3.8微米厚的超薄柔性生物傳感器件進(jìn)行高精度測(cè)量。

清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)研究中心馮雪教授

為了實(shí)現(xiàn)皮膚表面的微量葡萄糖精準(zhǔn)測(cè)量，馮雪課題組結(jié)合多年的可延展柔性電子器件研究經(jīng)驗(yàn)，基于力學(xué)原理在1.2微米厚的薄膜上制備了具有四層功能層的類(lèi)皮膚生物傳感器。通過(guò)制備器件表面微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)厚度的電子介體電化學(xué)沉積，利用基于液體表面張力和蒸發(fā)毛細(xì)力的仿生液滴轉(zhuǎn)印方法，將多層超薄生物傳感器從制備基底上無(wú)損地剝離下來(lái)，實(shí)現(xiàn)整體厚度只有3.8微米的類(lèi)皮膚柔性生物傳感器的制備。該傳感器具有130.4μA/mM的葡萄糖測(cè)量靈敏度和對(duì)葡萄糖的高度選擇性，重復(fù)測(cè)量誤差小于1%。

馮雪教授表示，“柔性電子器件是一個(gè)新興的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，里面涉及力學(xué)、材料、化學(xué)、電子以及信息等多個(gè)學(xué)科。從個(gè)人角度而言，我覺(jué)得首先做科研要有開(kāi)放的心態(tài)以及廣闊的眼界，能夠與不同學(xué)科的科研工作者溝通，聽(tīng)懂不同學(xué)科的語(yǔ)言，了解在不同領(lǐng)域的難點(diǎn)與痛點(diǎn)，多思考運(yùn)用自身學(xué)科可以如何解決這些問(wèn)題?！?/p>

客觀上來(lái)看，固體力學(xué)和面向醫(yī)療的柔性電子器件看似跨度很大，但實(shí)際上有很深入緊密的聯(lián)系。無(wú)機(jī)柔性電子，尤其是可延展電子器件的開(kāi)創(chuàng)與力學(xué)很有淵源。力學(xué)分析對(duì)無(wú)機(jī)可延展柔性電子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵制備方法起到了開(kāi)創(chuàng)性的指導(dǎo)作用。無(wú)機(jī)電子材料，包括金屬、半導(dǎo)體等對(duì)應(yīng)力應(yīng)變非常敏感，如何設(shè)計(jì)功能單元、互聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)使得器件整體在柔性大變形環(huán)境中電子材料不發(fā)生破壞且保持優(yōu)良性能是擺在柔性電子器件面前首當(dāng)其沖的問(wèn)題。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件制備到器件可靠性測(cè)試，柔性電子器件的各個(gè)階段都需要力學(xué)分析。

當(dāng)然僅僅依靠力學(xué)分析，不能完全解決柔性電子應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的各種問(wèn)題。要將柔性電子領(lǐng)域向前推動(dòng)，我們需要醫(yī)學(xué)、信息、材料、化學(xué)、電子等多個(gè)學(xué)科的共同努力，醫(yī)學(xué)提供應(yīng)用場(chǎng)景與性能指標(biāo)，材料、化學(xué)提供新型電子材料和新型界面，力學(xué)提出革新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可靠性保障，電子提供從微結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)集成的制備方法，信息提供通訊技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘。如此，多學(xué)科深入交叉，密切合作，快速迭代，才能最終形成一個(gè)真正能改變?nèi)藗兩畹某墒飚a(chǎn)業(yè)。固體力學(xué)是一門(mén)較為基礎(chǔ)的學(xué)科，具有廣泛的工程應(yīng)用背景，這影響和決定了我的眼界與思維不會(huì)囿于一隅，可以很容易開(kāi)展跨學(xué)科研究。

針對(duì)柔性傳感技術(shù)未來(lái)發(fā)展如何？馮雪教授表示，“柔性醫(yī)療電子器件研究是一項(xiàng)面向應(yīng)用的研究，因此基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用研究之間具有密切的聯(lián)系?；A(chǔ)科學(xué)既解決應(yīng)用問(wèn)題，同時(shí)也受其驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用研究既依賴(lài)于基礎(chǔ)研究的進(jìn)步也檢驗(yàn)并真正釋放基礎(chǔ)研究的實(shí)際社會(huì)效應(yīng)與價(jià)值。這兩者之間具有天然的良性耦合，使得它們必然密不可分。對(duì)我而言，兩者其實(shí)是一個(gè)有機(jī)的整體，互為增益，我都一樣重視。在我的工作中，一方面在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展基礎(chǔ)研究，另一方面也與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域保持密切合作?！?/p>

關(guān)于未來(lái)，柔性電子的發(fā)展空間和潛力十足。它既有改變?nèi)藗兩?、提升生命質(zhì)量的能力與愿景，也還存在較多瓶頸與空白有待我們突破與填充。對(duì)于布局，我認(rèn)為從柔性電子整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展去考慮，它需要深入的基礎(chǔ)研究來(lái)解決技術(shù)上的關(guān)鍵問(wèn)題，也需要真正解決人類(lèi)痛點(diǎn)問(wèn)題的應(yīng)用研究與研究成果轉(zhuǎn)化，并逐步搭建起良好的生態(tài)環(huán)境，將基礎(chǔ)研究、應(yīng)用轉(zhuǎn)化以及其他環(huán)節(jié)耦合在一起，形成良性發(fā)展的生態(tài)圈。從實(shí)際操作而言，基于柔性電子多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，它急需整合各學(xué)科資源；基于它基礎(chǔ)與應(yīng)用并重的性質(zhì)，它急需將科研界與產(chǎn)業(yè)界打通，從而使柔性電子領(lǐng)域進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)代。

備注：清華大學(xué)航院、柔性電子技術(shù)研究中心博士生陳毅豪為文章第一作者，馮雪教授是通訊作者。該研究工作得到了科技部973計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。