连发2篇《Science》，柔性电子女神，鲍哲南院士2020年成果集锦

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

鲍哲南是南京大学化学化工学院1987级学生，斯坦福大学化学工程和材料科学和工程教授。她因发展有机场效应晶体管和有机半导体等技术而知名。2017年，她获得了联合国教科文组织颁发的世界杰出女科学家奖。

鲍哲南教授的研究领域包括功能有机高分子材料的合成、有机电子器件的设计与制造、有机电子器件的应用开发等。这些研究方向具有多学科交叉性，涉及的概念和专业知识包括化学，化学工程，生物医学工程，材料科学和工程，物理，和电气工程等。目前课题组感兴趣的器件包括有机/碳纳米管薄膜晶体管、有机光伏电池、化学/生物传感器和分子开关等。这些器件一方面作为基本电荷传输和光物理研究的表征工具，另一方面可用于纳米尺寸电子器件、新型能源、低成本和大面积的柔性电路、显示器和一次性传感器等领域。

鲍哲南教授带领的团队与美国西北大学John Rogers教授团队、日本东京大学Takao Someya教授团队被公认为世界上最领先的三个柔性电子团队。其主要钻研方向为电子皮肤的设计与制备。她也是斯坦福大学首位担当系主任的亚裔女性，被誉为人造皮肤领域的“材料大师”。在创造了世界上首例用有机晶体管驱动的全新结构电子纸后，她领导研制的“灵敏”人造皮肤又创造了新的里程碑，极大推动了机器人科学、人类皮肤移植术以及假肢感知力领域的进步。在未来，她还将继续赋能人造皮肤，“让人类更加人性化”。

近期，我们简要梳理了鲍哲南教授课题组2020年部分发表于顶刊的研究成果，其中包括Science（2），Nature Reviews Materials（1），Nature Biotechnology（1），Nature Energy（1），Science Advances（1），Nature Communications（1），PNAS（2）主要分为以下几个方面：

一、电子皮肤

二、生物（医疗）功能材料设计与应用

三、电化学储能

【电子皮肤】

1.Science:离子弛豫动力学，让电子皮肤兼具温度与触觉感知

位于人类皮肤下的感受器可以对触摸的物体进行感知，同时对物体的温度有一个大致的感觉。而在人造皮肤材料中要实现这一点，则一直是一个挑战。近期，斯坦福大学鲍哲南团队和浦项科技大学Unyong Jeong创新性地利用离子弛豫动力学原理，以简单的双电极电容的结构，制作出可以实现对温度和应力同时响应的人造多峰受体。受体可以同时分辨出热与机械信息。其中电荷弛豫时间用来衡量温度变化，而归一化电容则用来衡量应变。将这种受体做成10*10的阵列，即可实现像人类皮肤一样具有温感和触感的电子皮肤。这种电子皮肤以最简单结构，实现了复杂的功能，在该领域具有里程碑的意义。该工作以题为“Artificial Multimodal Receptors Based on Ion Relaxation Dynamics”的文章发表在《Science》上。

人造多峰受体原理

2.Nature Communications:有机发光阵列，将皮肤显示器变为现实

柔性(可穿戴)电子器件在生理监测、体内植入治疗、电子皮肤等生物医学领域有巨大的应用前景，是前沿科学研究热点之一。人体的运动过程中，不可避免会导致电子器件发生不同程度的形变，这就要求可穿戴电子器件在具备良好电性能的前提下，兼具优异的柔韧性、可拉伸性。今年，斯坦福大学鲍哲南教授团队首次展示了一种完全可伸展的活性基质驱动有机发光电化学电池阵列，该阵列由溶液处理的、垂直集成的可拉伸有机薄膜晶体管有源矩阵驱动，这是通过化学正交和本质上可拉伸的介电材料的发展而实现的。并且该有机电致发光电池(AMOLEC)阵列可以很容易弯曲、扭曲和拉伸而不影响其器件性能。当安装在皮肤上时，阵列可以承受30%应变下的重复循环。该工作证明了皮肤适用显示器的可行性，为进一步的材料开发奠定了基础。该研究以题“Fully stretchable active-matrix organic light-emitting electrochemical cell array”发表在国际知名期刊Nature Communication上。

可拉伸光图案化电介质

3.PNAS:顺应性传感器助力假肢或机器人具有真人感觉

顺应性感觉是人类皮肤的一个独特特征，对其进行开发并将其集成到人造皮肤上，可以为假肢或机器人系统提供类似人的感觉。然而，已有的四种传感机制(转换为数字读取的电信号)的传感器外部组件(精密光学测量组件等)体积庞大，因此将这些传感器用于需求紧凑的外形尺寸的应用中仍然面临着巨大的挑战。基于此，斯坦福大学的鲍哲南教授团队报道了一种仿生的、薄顺应性传感器。为了模拟人类皮肤缓慢适应受体SA-I和SA-II的拉伸和压力感应能力，研究人员将基于薄膜的应变传感器(MBSS)耦合到压力传感器，以识别接触的材料。实验结果证实，该混合传感器可以同时捕获所接触材料的表面变形和所施加的压力。通过利用基于电阻和电容的传感器，研究人员为MBSS开发了两种不同的传感方法。例如，当分别测试模量为75 GPa和20 kPa的材料时，电阻传感器的灵敏度为11 Ω/N和104 Ω/ N。同样，对于类似材料，电容式传感器的灵敏度分别为80 fF/N(femtofarad Newton)和1280 fF/N。同时，还展示了通过减小薄膜的厚度可以调节传感器的灵敏度，尤其是需要更高的分辨率时。此外，传感器的薄型和小尺寸使其能够应用于不同的应用中。首先，将传感器集成到机械手的手指上，并能确定抓握物体的顺应性。其次，通过构建阵列传感器能够绘制出由不同材料制成的物体的表面图，对于检测组织内部的不规则物体(如肿瘤)非常有用。

检测材料的顺应性

【生物(医疗)功能材料设计与应用】

1.Science:在活体中进行功能材料的基因靶向化学组装

多细胞生物系统(例如大脑)的结构和功能复杂性超出了人类设计或组装能力的范围。导电高分子材料传统上是在体外合成后应用于培养细胞或体内植入，通过体外注射或者植入的方法将导电聚合物整合到体内组织中，但是缺乏对细胞和组织器官的靶向性的体外植入，美国工程院院士光遗传学之父Karl Deisseroth 和 鲍哲南等强强联手，在Science上发表文章报道了在神经元中组装导电高分子材料的遗传靶向方法。这种方法通过整合工程酶靶向技术和高分子化学，从遗传上指导了特定的活神经元，以指导质膜上电功能(导电或绝缘)聚合物的化学合成。电生理和行为分析证实，功能高分子经过合理设计，以基因为靶标的组装，不仅保留了神经元的生存能力，而且还实现了对自由活动动物的膜特性的重塑和细胞特定类型的行为的调节。这种方法可以在生活系统中创建各种复杂的功能性结构和材料。可以重塑神经元细胞膜的电特性，并实现特定细胞类型的细胞电生理信号和生物行为调节，例如控制神经元放电。

细胞中功能材料的基因靶向化学组装

2.Nature Reviews Materials: 多功能材料构筑可植入/穿戴光学保健设备

许多基于光的诊断和治疗设备在临床上已被广泛使用。近年来，得益于多功能材料的发展，人们也开发了很多可植入或可穿戴的光学保健设备。然而，光在体内的有限穿透深度也仍然这类设备所面临的一个严峻挑战。浦项科技大学Sei Kwang Hahn教授和斯坦福大学鲍哲南院士合作综述了关于可植入和可穿戴光学医疗保健设备的基本概念和相关实例;对构建下一代可植入和可穿戴的光学医疗设备来说至关重要的新型多功能材料进行了阐述，并讨论了它们的临床转化前景;介绍了植入式光学保健设备的性质、诊疗功能以及应用;并对这一领域未来的发展方向如移动医疗和个性化医疗等进行了展望。

光学医疗保健应用的基本原理

3.Nature Biotechnology:植入体内的生物电子器件

调节神经系统的生物电子器件在治疗神经系统疾病治疗中的应用越来越广泛，然而目前的可植入电子元器件的固定尺寸不能适应组织的快速生长并且可能损害发育。对于婴儿，儿童和青少年，一旦植入的器械已经不能适应神经发育的需求，通常需要进行其他外科手术以更换器械，从而导致反复的干预和并发症的发生。尽管诸如迷走神经刺激器和脑深部刺激器之类的生物电子设备正在实验室和临床中积极地用于治疗各种疾病，但是它们在生长组织中的应用受到其固定形状的限制。虽然目前大量的对可拉伸的神经装置的研究已显示出其良好的生物相容性以及与周围神经系统和中枢神经系统的无缝连接相互作用，但是即使弹性生物电子器件可以适应由器官和身体运动的动态变化引起的反复应变，但在适应过程中不要求实质性压力的情况下适应组织的发育生长仍然存在挑战。例如，对于某些耐药性癫痫患者(占癫痫总人口的30%)，可有效减少癫痫发作的植入式迷走神经刺激器在儿童(<12岁)中经常被禁止使用。对于这项挑战，斯坦福大学鲍哲南教授和Paul M. George教授等人通过可形变生物电子元器件的研究解决了这一局限，可形变电子器件以最小的机械约束适应体内神经组织的生长。相关成果以”Morphing electronics enable neuromodulation in growing tissue“为题，发表在国际顶级生物医学期刊Nature Biotechnology上。

可形变电子的设计与应用

4. Science Advances:用隐形眼镜监控、治疗糖尿病

智能隐形眼镜是人体与可穿戴医疗电子设备之间的良好接口。目前对智能隐形眼镜的诊断应用已经有了一部分研究，但是能够结合实时生物特征分析，并电子给药的隐形眼镜还没有报导。韩国浦项科技大学Do Hee Keum等与斯坦福大学鲍哲南教授课题组合作，开发了用于监测血糖和治疗糖尿病性视网膜病变的智能隐形眼镜。这款智能隐形眼镜采用了一种生物相容的聚合物，包括超薄、灵活的电路和一个微控制器芯片，用于实时电化学生物传感、按需控制药物传输、无线电源管理和数据通信。在患有糖尿病的兔子模型中，研究人员通过测量泪液葡萄糖水平，以验证常规的有创血糖试验并释放药物来治疗糖尿病性视网膜病变。该研究成功地证明了智能隐形眼镜在无创持续性糖尿病诊断和糖尿病性视网膜病变治疗中的可行性。

用于医疗诊断与治疗的智能隐形眼镜

5.PNAS: 细胞级分辨率心电监测，守护人类健康

心房颤动(房颤)是最常见的心律失常。目前对房颤的治疗和研究都被导管电极的低分辨率和有限的检测区域(仅能记录心脏内部的电生理活动)所限制。为达到精准治疗的目的，并验证关于房颤成因的假设，必须要开发高分辨率的心脏表面电生理活动检测仪器和技术。针对这个问题，斯坦福大学鲍哲南课题组与斯坦福大学医学院Anson M. Lee教授合作，指出解决上述挑战的方法之一就是利用本征可拉伸的导电高分子作为电极材料，制备高密度的直线形电极阵列。为实现上述目的，课题组采用了新开发的针对导电高分子的光刻技术对PEDOT:PSS进行加工，得到了大面积(100 cm2)的微米尺度电极阵列。在猪模型和兔模型实验中，该电极阵列都提供了清晰、可靠、高密度的心电活动信号，为房颤的研究和治疗提供了全新的工具。

电极阵列制备过程

【电化学储能】

1.Nature Energy:高能量、长循环锂电池电解液的分子设计

电解液工程是锂电池发展的关键。虽然最近的工作在改善锂金属的可循环性方面有了一定的进展，但是仍然缺乏一个合理的电解液设计方法。针对这个问题，斯坦福大学崔屹、鲍哲南教授合作，合理加入-CF2-单元可得到氟化的1，4-二甲氧基丁烷作为电解液，并与1 M双(氟磺酰基)酰亚胺锂配对使用。该电解液具有独特的Li–F结合力和溶剂化结构中的高阴离子/溶剂比，与Li金属负极(库仑效率为99.52%，并且在五次循环内能快速活化)和高压正极(~6 V稳定性)具有出色的相容性。50 μm厚的Li|NMC电池在420次循环后仍保持90%的容量，平均库仑效率为99.98%。制备的工业级无负极软包电池(Cu|NMC811(LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2))在100个循环后可达到约325 Wh kg-1的单电池能量密度和80%的容量保持率。这种能够在标准浓度下形成单溶剂单盐层的无负极锂电池为高能量、长循环锂电池提供了一种高效策略。

电解液的设计理念与电化学稳定性

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)