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閱讀：153 發(fā)布時間：2025-5-23

穿戴式生物電子學是一種將電子設備與人體緊密結合的技術，能實時監(jiān)測健康狀況、輔助診斷、輸送藥物和刺激神經(jīng)。它通過高精度傳感器采集身體表面和內部的生理、生化信號，但傳統(tǒng)設備在貼合性和信號穩(wěn)定性上存在不足。近年來，研究正朝著微納米級、三維結構方向發(fā)展，以增強與人體的貼合度和信號質量。這推動了先進制造技術的發(fā)展，如3D打印、微針電極制作和多材料集成，使設備更柔軟、精準并能深入組織，大幅提升穿戴舒適性和數(shù)據(jù)準確性（圖1）。

圖1. 可穿戴生物電子學的發(fā)展。

在此，浙江大學平建峰課題組介紹了3D制造技術的最新進展，重點講述了一些能夠跨尺度、混合多種材料的制造方法。這些新技術有效解決了生物電子接口在空間結構復雜性和材料力學不匹配上的難題，讓設備更舒適地貼合人體，同時保證信號傳輸?shù)木珳史€(wěn)定。為了推動這個領域的突破，跨學科合作至關重要，特別是將人工智能融入其中，有望帶來創(chuàng)新性的變革。未來，如果能以低成本、可規(guī)模化的方式制造出高精度的生物電子設備，就有望在醫(yī)療健康、人機交互和個性化醫(yī)療等領域大放異彩。相關成果以“Three-dimensional micro- and nanomanufacturing techniques for high-fidelity wearable bioelectronics"發(fā)表在《Nature Reviews Electrical Engineering》上，第一作者為Peidi Fan。

3D微納米制造技術

高保真生物電子設備在醫(yī)學領域前景廣闊，但要實現(xiàn)精準貼合和穩(wěn)定性能，必須具備三大要素：個性化設計以貼合人體組織、高縱橫比或復雜3D結構以適應微觀環(huán)境、以及柔性且生物相容的材料。然而，柔性材料加工難度大、精度低，且與剛性電子元件結合時易產生應力問題。為應對這些挑戰(zhàn)，先進的3D微納制造技術不斷涌現(xiàn)，推動設備向高精度、多功能發(fā)展。目前常用技術包括增材制造，如FDM（圖2a）和DIW（圖2b），適合構建結構復雜、材料多樣的設備；電化學沉積（圖2c）實現(xiàn)原子級打印，但受限于工業(yè)速度；氣溶膠噴射打?。ˋJP，圖2d）適用于非平面高精度打印。光固化技術如SLA和DLP（圖2e–f）能快速打印高分辨率結構，CLIP（圖2g）則大幅提升速度并改善表面質量；雙光子聚合（圖2h）具納米級分辨率，但成本高、速度慢。減材制造則更適合結構強度要求高的應用，如激光加工（圖2i）、微銑削（圖2j）和光刻技術（圖2k–l），可精密制造微結構但受限于設計自由度。模具復制類的微模塑（圖2m–n）則通過軟材料成型實現(xiàn)柔性仿生結構，適合批量生產和復雜微結構復制。整體來看，各類制造技術在精度、材料適配性、結構復雜度和量產能力之間各有優(yōu)勢，正共同推動高性能柔性生物電子設備的快速發(fā)展。

圖2. 3D微制造和納米制造技術。

除了直接制造技術，機械引導的3D組裝是一種通過力學差異將平面結構轉化為三維形態(tài)的間接制造方法，能夠快速、低成本地批量生產復雜3D結構，適用于多種材料和尺寸。這種方法包括滾動、折疊、彎曲貼合和起皺等形式，可制造出螺旋、折紙、曲面貼附電路和花狀框架等多種結構，具有良好的柔性和適應性。盡管其幾何復雜度暫不及直接3D打印，但通過材料選擇、結構設計和外部控制手段，已逐步實現(xiàn)可編程、可逆形變，提升了設備與人體組織的匹配度。同時，混合制造技術將剛性電子與柔性基底結合，兼顧舒適性與信號質量，適用于高性能可穿戴設備。原位3D打印也正用于將傳感器直接打印在如肺部等動態(tài)組織表面，具備自適應能力，顯著提升生物-電子界面的穩(wěn)定性。展望未來，卷對卷印刷等大規(guī)模制造工藝將成為主流，因其能連續(xù)、低成本地集成多種關鍵工藝，實現(xiàn)柔性電子設備的工業(yè)化生產。

圖3. 2D到3D組裝技術。

高保真可穿戴生物電子器件的分類與應用

高保真生物電子設備通過精密設計和3D微納制造技術，構建出適應生物組織結構和力學特性的微納結構，從而實現(xiàn)更穩(wěn)定、更清晰的信號采集，廣泛應用于醫(yī)學與神經(jīng)科學研究。根據(jù)結構特點，這些設備主要分為三類（見圖4）：穿刺結構、微溝槽結構和3D貼合結構。其中，3D穿刺結構如微針陣列，可微創(chuàng)穿透皮膚，采集更深層的生理和生化信息，如血糖、乳酸等，同時避免疼痛和損傷（圖4a、4b）。微針還可集成傳感器用于疾病監(jiān)測、電生理記錄和藥物輸送，適用于神經(jīng)科學等領域。微溝槽結構內部具有精密通道，用于液體采集、分析和壓力感應，可實現(xiàn)如壓力、拉伸、流速等參數(shù)的高靈敏檢測，并應用于智能可穿戴設備，如智能隱形眼鏡、手套和手環(huán)（圖4c、4d）。3D貼合結構則模仿人體組織的柔軟特性，具備良好的柔性和拉伸性，能穩(wěn)定貼合心臟、眼球、耳道等復雜曲面，提升信號質量并減少噪音（圖4e–j）。這類設備通過超薄設計、柔性互聯(lián)或可拉伸幾何結構增強貼合度，還可借助導電水凝膠、石墨烯墨水等材料實現(xiàn)更高性能的生物界面。隨著3D制造技術和材料科學的發(fā)展，未來這類結構將更智能、更適應人體，推動可穿戴醫(yī)療設備在健康監(jiān)測、個性化治療和人機交互等領域的廣泛應用。

圖4. 高保真可穿戴生物電子設備的常見結構和應用。

展望

盡管3D微納制造技術為可穿戴生物電子設備帶來了巨大進步，但目前仍面臨如制造精度高、處理速度慢、難以兼容柔性材料等挑戰(zhàn)，尤其是在實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的生物-電子界面方面。為解決硬軟材料在界面處的應力集中問題，未來需推動剛性與柔性元件的一體化制造，并優(yōu)化材料的力學性能與加工性能之間的矛盾。技術發(fā)展不能單獨進行，材料科學、制造技術、生物工程、電氣工程和人工智能等跨學科協(xié)作是關鍵。未來的制造材料需具備多功能性，如導電、自修復或藥物釋放能力；制造技術也應實現(xiàn)多材料集成、自動化及一體化功能，從而加快臨床轉化和產業(yè)化進程。采用模塊化設計，可實現(xiàn)標準化生產與個性化定制并存。人工智能和機器學習的加入將進一步提升制造智能化水平：AI可優(yōu)化材料選擇、模擬合成路徑、實時調整參數(shù)，并通過數(shù)字孿生實現(xiàn)虛擬建模與現(xiàn)實制造之間的高效聯(lián)動。這種智能制造模式將推動3D微納結構制造進入更高精度、更高效率的新階段。

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