2026年7月9日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院（航院）、柔性電子技術(shù)國家級重點實驗室（柔電國重）張一慧教授課題組在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上以研究論文形式發(fā)表題為 “A Multifunctional Porous Interface Bridging 3D Architected Electronics with Skin” 的最新研究成果。該研究面向三維柔性電子器件長期皮膚集成中的界面適配、力學(xué)可靠性與穿戴舒適度等關(guān)鍵挑戰(zhàn)，提出了一種多功能多孔柔性界面設(shè)計策略。通過在三維柔性電子器件與皮膚之間構(gòu)筑可控的微孔網(wǎng)絡(luò)，該界面顯著提升了具有復(fù)雜拓?fù)錁?gòu)型的電子器件彈性延展率與電學(xué)信號穩(wěn)定性，并賦予器件透濕、熱緩沖、抗沖擊和藥物控釋等多重功能。研究團(tuán)隊研制出用于燙傷創(chuàng)面管理的三維閉環(huán)電子貼片，實現(xiàn)了對傷口生理狀態(tài)的多模態(tài)監(jiān)測和按需給藥治療，展示了該策略在皮膚疾病精準(zhǔn)治療與長期健康監(jiān)測電子器件系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef0161
近年來，皮膚集成電子器件在健康監(jiān)測、人機交互和個性化醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，并已在孕婦胎心監(jiān)測、連續(xù)血壓心電監(jiān)測和運動健康管理等場景中走向產(chǎn)品化應(yīng)用。隨著應(yīng)用需求從即時檢測逐漸拓展至連續(xù)、長期佩戴，柔性電子器件不僅需要保持穩(wěn)定的電學(xué)功能，還需兼顧與皮膚表面的柔順貼合、透濕透氣和舒適性。相較于傳統(tǒng)平面柔性電子器件，三維柔性電子器件可通過懸空互連、曲面電極和多層功能單元等結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在有限皮膚面積內(nèi)集成更多功能模塊，并增強對多類生理信號和復(fù)雜形變的感知能力。然而，在人體運動過程中，三維結(jié)構(gòu)也更容易隨皮膚發(fā)生拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)及耦合變形，進(jìn)而誘發(fā)局部應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)損傷或電學(xué)失效，限制其在長期皮膚集成場景中的應(yīng)用。
目前，柔性電子器件常采用實體硅膠彈性體作為封裝或皮膚接觸界面，以提供機械支撐、水氧阻隔和一定的器件保護(hù)。然而，這類實心固體封裝層往往會顯著限制柔性電子器件的自由變形，并大幅降低長期佩戴過程中的透氣透濕性和舒適性。相比之下，已報道的多孔纖維、織物或水凝膠界面雖可提升皮膚長期穿戴舒適性，但現(xiàn)有設(shè)計策略多面向平面柔性電子器件，難以適配復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，也難以兼顧力學(xué)保護(hù)與功能集成等多重需求。因此，亟需在三維柔性電子與皮膚之間構(gòu)建一種兼具三維幾何適配、力學(xué)緩沖、舒適貼合和多功能拓展能力的新型界面，以支撐其在長期可穿戴場景中的穩(wěn)定應(yīng)用。
在這項研究中，研究人員提出了一種多功能多孔界面設(shè)計策略，能夠?qū)⑷S柔性電子器件與皮膚從空間和功能上高效地集成。該工作通過犧牲模板法在三維柔性電子器件周圍構(gòu)筑工程化三維微孔網(wǎng)絡(luò)形成柔性多孔界面。與傳統(tǒng)實體封裝相比，多孔界面不僅可以降低整體剛度，減弱封裝層對三維結(jié)構(gòu)和金屬互連導(dǎo)線的約束，還能夠通過孔壁局部彎曲和屈曲為結(jié)構(gòu)變形提供空間，從而緩解三維柔性器件上的局部應(yīng)力集中。此外，多孔網(wǎng)絡(luò)中的開放孔道，也為水汽傳輸、熱緩沖、抗沖擊和藥物負(fù)載提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
圖1. 三維柔性電子器件多功能多孔界面設(shè)計策略
圖1展示了多功能多孔界面的整體設(shè)計思路和性能優(yōu)勢。研究人員首先通過力學(xué)引導(dǎo)三維組裝方法，將二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為包含螺旋形互連導(dǎo)線、拱橋形互連導(dǎo)線、懸空電極和柔性電路板的三維柔性電子器件。隨后，將可溶性犧牲模板顆粒填充到三維結(jié)構(gòu)內(nèi)部和周圍空隙中，形成能夠自適應(yīng)復(fù)雜幾何的犧牲模板。再通過液態(tài)封裝材料灌注和固化，得到包覆三維電子器件的多孔界面。
該多孔界面兼具多種優(yōu)勢。首先，微孔網(wǎng)絡(luò)降低了封裝層的有效剛度，微孔變形和三維薄膜器件間的變形模式切換，使三維電子器件穿戴中能夠保持彈性變形空間。其次，內(nèi)部的開放孔道有利于水汽傳輸，可減少汗液和滲出液在皮膚界面的積累。此外，多孔結(jié)構(gòu)能夠減緩熱量傳遞，在局部加熱或外界溫度擾動下發(fā)揮熱緩沖作用。同時，孔壁塌縮和微孔變形還可以吸收部分沖擊能量，提升對脆弱電子元件的保護(hù)能力。這些特征使多孔界面超越封裝材料本身成為連接三維電子器件與生物組織的多功能界面層。
為了驗證這一界面在實際佩戴場景中的可靠性，研究人員制備了嵌入多孔基體的mini-LED陣列。該器件可貼附在人體皮膚表面，并能夠在運動、洗滌、熱水浸泡和長期佩戴等多種條件下保持穩(wěn)定工作。與實體封裝相比，多孔封裝顯著減少了汗液積累和皮膚刺激，說明該界面在實現(xiàn)器件保護(hù)的同時，也能改善長期佩戴舒適性。進(jìn)一步的力學(xué)、熱學(xué)和透濕測試表明，通過調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)，可以系統(tǒng)優(yōu)化界面的柔軟性、熱緩沖能力、抗沖擊性能和水汽透過能力，為不同三維柔性電子器件提供可調(diào)的界面設(shè)計方案。
值得注意的是，在力學(xué)層面上多孔結(jié)構(gòu)不只降低封裝層的等效剛度。傳統(tǒng)的實體封裝對三維電子器件施加連續(xù)強約束，而多孔基體則將這種約束離散化，使三維微結(jié)構(gòu)能夠在多孔界面孔隙內(nèi)發(fā)生彎曲和屈曲。因此，多孔界面為三維柔性電子器件提供一種新的應(yīng)力重分布策略，即在保證封裝連續(xù)性的同時，將封裝層對三維微結(jié)構(gòu)的連續(xù)強約束減弱為離散弱約束。
圖2. 多孔封裝約束下的三維帶狀微結(jié)構(gòu)變形機制
為了揭示多孔界面提升三維柔性電子力學(xué)可靠性的機制，研究人員結(jié)合有限元模擬、循環(huán)拉伸實驗和Micro-CT掃描重建表征方法，分析了三維帶狀微結(jié)構(gòu)在實心基體和多孔基體中的受限變形行為（圖2）。結(jié)果顯示，在傳統(tǒng)實體封裝中，封裝材料會對三維金屬互連形成連續(xù)強約束。當(dāng)器件受到拉伸時，三維帶狀微結(jié)構(gòu)難以自由展開，金屬層中迅速產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，并最終誘發(fā)不可逆塑性變形。相比之下，多孔基體中的微孔網(wǎng)絡(luò)顯著削弱了這種連續(xù)約束。在拉伸過程中，三維帶狀微結(jié)構(gòu)與微米級的孔壁相互作用產(chǎn)生新的變形模式，孔壁能發(fā)生局部彎曲和屈曲，三維帶狀微結(jié)構(gòu)也可以通過孔洞空間自由變形釋放變形能，從而使應(yīng)力分布更加均勻，避免局部出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中。
這一結(jié)果說明，多孔界面增強拉伸能力的原因并不只是降低材料的等效模量。上述結(jié)果表明，多孔界面對三維柔性電子彈性拉伸能力的提升不僅來自于多孔材料的等效剛度降低，微孔結(jié)構(gòu)的引入更加關(guān)鍵。總的來說，孔隙降低基體有效剛度，減弱整體約束；孔隙空間為三維結(jié)構(gòu)提供局部變形余量；孔壁屈曲和三維帶狀結(jié)構(gòu)局部殼屈曲共同釋放應(yīng)變集中。三種機制協(xié)同作用改變了三維微結(jié)構(gòu)在軟基體中的載荷傳遞路徑和變形模式，大幅提升了多孔封裝下三維柔性電子的彈性可拉伸性。對于幾何更復(fù)雜的三維籠狀結(jié)構(gòu)，這種協(xié)同機制更加明顯。多孔界面可以緩解扭轉(zhuǎn)和拉伸耦合變形中的局部高應(yīng)力，使三維電子器件在大變形下仍保持較高的機械和電學(xué)穩(wěn)定性。
圖3. 具有定制化孔隙分布的仿人體皮膚三維多模態(tài)傳感系統(tǒng)
在實現(xiàn)可靠三維封裝的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步利用多孔界面的空間可設(shè)計性，構(gòu)建了一種仿人類皮膚的三維多模態(tài)傳感系統(tǒng)（圖3），用于解耦測量法向壓力、面內(nèi)拉伸和局部溫度。該系統(tǒng)的設(shè)計受到人體皮膚感受器空間多層級分布的啟發(fā)。在人體皮膚中，靠近表面的感受器主要響應(yīng)外界壓力，而位于較深位置的感受器則主要感知皮膚拉伸變形，溫度感知也依賴分布皮膚上表面的神經(jīng)末梢。類似地，該三維多模態(tài)傳感系統(tǒng)將力傳感、應(yīng)變傳感和溫度傳感單元布置在不同高度，并通過調(diào)控局部孔隙率改變不同傳感單元的力學(xué)邊界。三維籠狀力傳感器下方采用局部實體封裝，為法向壓力測量提供穩(wěn)定支撐，并降低面內(nèi)拉伸對力信號的干擾。分布于封裝層底部的弧形應(yīng)變傳感器，高度差使得面外壓力主要被實體封裝的籠形結(jié)構(gòu)承擔(dān)，應(yīng)變傳感器區(qū)域的局部空腔結(jié)構(gòu)降低了該區(qū)域的面內(nèi)拉伸剛度，使其對面內(nèi)拉伸更為敏感。溫度傳感器和其他區(qū)域則采用常規(guī)多孔封裝，以保持整體柔順性和透濕能力。
實驗結(jié)果表明，該三維傳感系統(tǒng)能夠分別對壓力、拉伸和溫度變化產(chǎn)生穩(wěn)定響應(yīng)，并在復(fù)合加載條件下具備較好的信號解耦效果。這一結(jié)果說明，多孔界面不僅可以作為柔性電子器件的保護(hù)層和皮膚界面，還可以作為一種空間異質(zhì)化調(diào)控手段，用于構(gòu)建更復(fù)雜的三維多模態(tài)傳感系統(tǒng)。這種從結(jié)構(gòu)出發(fā)的解耦方法，與單純依賴算法后處理不同，能夠在器件物理層面降低信號耦合。
圖4. 三維閉環(huán)創(chuàng)面管理電子貼片的設(shè)計與工作機制
燙傷創(chuàng)面通常具有感染風(fēng)險高、滲出液多、炎癥發(fā)展快等特點，傳統(tǒng)臨床評估多依賴間斷觀察，難以及時捕捉早期異常狀態(tài)。研究人員將多孔界面、三維多模態(tài)傳感系統(tǒng)、柔性加熱電路和載藥凝膠集成，開發(fā)了一種三維閉環(huán)創(chuàng)面管理電子貼片（3D-CURE Patch），用于燙傷創(chuàng)面的實時監(jiān)測和按需給藥治療。3D-CURE Patch由柔性加熱電路、三維多模態(tài)傳感系統(tǒng)和負(fù)載藥物的多孔基體組成，并連接控制、通信和供能模塊。在工作過程中，三維傳感系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測創(chuàng)面處的腫脹和局部溫度升高等信號。當(dāng)傳感信號超過預(yù)設(shè)閾值并經(jīng)過系統(tǒng)判斷后，加熱模塊被激活，多孔界面中的載藥凝膠發(fā)生熱致相變并釋放藥物。隨后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗待機狀態(tài)，并在下一輪檢測中繼續(xù)根據(jù)創(chuàng)面狀態(tài)決定是否再次給藥。在這一過程中，多孔界面發(fā)揮了多重功能。一方面，它為三維傳感器提供柔性支撐，使得器件機電性能穩(wěn)定；另一方面，它能夠負(fù)載藥物凝膠，并為藥物釋放提供通道。更重要的是，多孔界面還可以作為熱緩沖層，減緩加熱電路向創(chuàng)面?zhèn)鹊臒醾鬟f，同時保證多孔界面內(nèi)部溫度分布均勻，降低局部過熱風(fēng)險使藥物釋放更加均勻可控。相比實體封裝，多孔結(jié)構(gòu)能夠改善熱分布的均勻性和安全性，從而更適合用于閉環(huán)治療貼片。由此，多孔界面將傳感、熱管理和藥物遞送連接為一個整體，使三維閉環(huán)創(chuàng)面管理電子貼片具備從創(chuàng)面狀態(tài)感知到治療響應(yīng)的閉環(huán)反饋診療功能。
圖5. 三維閉環(huán)創(chuàng)面管理電子貼片在SD大鼠燙傷模型中的治療效果評價
為了驗證3D-CURE Patch的治療效果，研究人員建立了SD大鼠深二度燙傷模型，并設(shè)置空白組、常規(guī)抗生素處理組和器件治療組進(jìn)行對比（圖5）。實驗結(jié)果顯示，在燙傷后的早期階段，部分創(chuàng)面會出現(xiàn)明顯水腫和局部炎癥反應(yīng)。3D-CURE Patch能夠通過力、應(yīng)變和溫度傳感信號識別這些異常狀態(tài)，并觸發(fā)藥物釋放。與空白組和常規(guī)抗生素處理組相比，器件治療組在早期創(chuàng)面愈合和炎癥抑制方面表現(xiàn)更好。創(chuàng)面面積分析表明，閉環(huán)治療能夠加快創(chuàng)面恢復(fù)，尤其在愈合早期體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。
組織學(xué)結(jié)果進(jìn)一步驗證了3D-CURE Patch提升了燙傷創(chuàng)面的恢復(fù)效果。相比對照組，器件治療組表現(xiàn)出更明顯的上皮結(jié)構(gòu)恢復(fù)、新生血管形成以及毛囊和皮脂腺等附屬結(jié)構(gòu)再生效果，瘢痕區(qū)域也更小，整體組織形態(tài)更接近正常皮膚。這些結(jié)果說明，該閉環(huán)貼片不僅能夠促進(jìn)創(chuàng)面閉合，還能夠一定程度上改善組織再生質(zhì)量。與傳統(tǒng)被動敷料或定時給藥方式相比，該系統(tǒng)能夠根據(jù)創(chuàng)面狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和響應(yīng)，展示出在皮膚疾病精準(zhǔn)治療與長期健康監(jiān)測電子器件系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。
《觸覺技術(shù)及市場-2024版》
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