Điện tử sinh học co giãn—Hiện tại và tương lai

MRS Bulletin - Tập 42 - Trang 960-967 - 2017
Ishan D. Joshipura1, Mickey Finn2, Siew Ting Melissa Tan3, Michael D. Dickey4, Darren J. Lipomi2
1Department of Chemical Engineering, North Carolina State University, USA
2Department of NanoEngineering, University of California San Diego, USA
3School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, Singapore
4Department of Chemical and Biomolecular Engineering, North Carolina State University, USA

Tóm tắt

Các vật liệu được sử dụng trong các thiết bị điện tử có thể đeo được và cấy ghép phải phù hợp với các tính chất cơ học của mô sinh học, vốn dĩ mềm mại và có khả năng biến dạng. So với các thiết bị điện tử cứng thông thường, điện tử sinh học mềm có thể cung cấp việc theo dõi chính xác và theo thời gian thực các tín hiệu sinh lý, cải thiện sự thoải mái, và mở ra những phương thức mới hoàn toàn cho việc cảm biến. Bài viết này nhấn mạnh những tiến bộ gần đây, xác định các thách thức kỹ thuật và đưa ra các giải pháp khả thi cho lĩnh vực điện tử sinh học co giãn đang phát triển. Chúng tôi tổ chức nội dung thành ba danh mục chủ đề: (1) tích hợp sinh học của các vật liệu điện tử mềm, (2) vật liệu và cơ học, và (3) robot mềm. Cuối cùng, chúng tôi kết thúc bài viết này với một cuộc thảo luận về triển vọng của lĩnh vực này và các thách thức trong tương lai.

Từ khóa

#điện tử sinh học #điện tử cấy ghép #vật liệu mềm #cảm biến sinh lý #tích hợp sinh học #robot mềm

Tài liệu tham khảo

T. Someya, Z. Bao, G.G. Malliaras, Nature 540, 379 (2016). J.A. Rogers, R. Ghaffari, D.-H. Kim, Eds., Stretchable Bioelectronics for Medical Devices and Systems, Microsystems and Nanosystems Series (Springer International Publishing, Cham, 2016, http://link.springer.com/10.1007/978-3-319-28694-5). D.J. Lipomi, Z. Bao, MRS Bull. 42 (2), 93 (2017). B.C. Marin, S.E. Root, A.D. Urbina, E. Aklile, R. Miller, A.V. Zaretski, D.J. Lipomi, ACS Omega 2, 626 (2017). Y.-Y. Lee, H.-Y. Kang, S.H. Gwon, G.M. Choi, S.-M. Lim, J.-Y. Sun, Y.-C. Joo, Adv. Mater. 28, 1636 (2016). S. Kano, K. Kim, M. Fujii, ACS Sens. 2, 828 (2017). E. Koch, A. Dietzel, Sens. Actuators Phys. 250, 138 (2016). F. Güder, A. Ainla, J. Redston, B. Mosadegh, A. Glavan, T.J. Martin, G.M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 128, 5821 (2016). D. Chen, Q. Pei, Chem. Rev. (2017), doi:10.1021/acs.chemrev.7b00019. P.S. Khiabani, A.H. Soeriyadi, P.J. Reece, J.J. Gooding, ACS Sens. 1, 775 (2016). M.E. Lee, A.M. Armani, ACS Sens. 1, 1251 (2016). V. Gomelsky, “L’Oréal’s Technology Incubator: Creating the Future of Beauty,” New York Times (2017), https://www.nytimes.com/2017/03/30/fashion/craftsmanship-loreal-beauty-technology.html. G. Kettlgruber, M. Kaltenbrunner, C.M. Siket, R. Moser, I.M. Graz, R. Schwödiauer, S. Bauer, J. Mater. Chem. A 1, 5505 (2013). D.-H. Kim, N. Lu, R. Ma, Y.-S. Kim, R.-H. Kim, S. Wang, J. Wu, S.M. Won, H. Tao, A. Islam, K.J. Yu, T. Kim, R. Chowdhury, M. Ying, L. Xu, M. Li, H.-J. Chung, H. Keum, M. McCormick, P. Liu, Y.-W. Zhang, F.G. Omenetto, Y. Huang, T. Coleman, J.A. Rogers, Science 333, 838 (2011). I.R. Minev, P. Musienko, A. Hirsch, Q. Barraud, N. Wenger, E.M. Moraud, J. Gandar, M. Capogrosso, T. Milekovic, L. Asboth, R.F. Torres, N. Vachicouras, Q. Liu, N. Pavlova, S. Duis, A. Larmagnac, J. Vörös, S. Micera, Z. Suo, G. Courtine, S.P. Lacour, Science 347, 159 (2015). S.J. Kim, H.R. Cho, K.W. Cho, S. Qiao, J.S. Rhim, M. Soh, T. Kim, M.K. Choi, C. Choi, I. Park, N.S. Hwang, T. Hyeon, S.H. Choi, N. Lu, D.-H. Kim, ACS Nano 9, 2677 (2015). K. Kalantar-zadeh, N. Ha, J.Z. Ou, K.J. Berean, ACS Sens. 2, 468 (2017). D. Son, J. Lee, S. Qiao, R. Ghaffari, J. Kim, J.E. Lee, C. Song, S.J. Kim, D.J. Lee, S.W. Jun, S. Yang, M. Park, J. Shin, K. Do, M. Lee, K. Kang, C.S. Hwang, N. Lu, T. Hyeon, D.-H. Kim, Nat. Nanotechnol. 9, 397 (2014). J. Di, S. Yao, Y. Ye, Z. Cui, J. Yu, T.K. Ghosh, Y. Zhu, Z. Gu, ACS Nano 9, 9407 (2015). S.Y. Chin, Y.C. Poh, A.-C. Kohler, J.T. Compton, L.L. Hsu, K.M. Lau, S. Kim, B.W. Lee, F.Y. Lee, S.K. Sia, Sci. Robot. 2 (2017), doi:10.1126/scirobotics. aah6451. T.M. Reineke, ACS Macro Lett. 5, 14 (2016). B.C.-K. Tee, A. Chortos, A. Berndt, A.K. Nguyen, A. Tom, A. McGuire, Z.C. Lin, K. Tien, W.-G. Bae, H. Wang, P. Mei, H.-H. Chou, B. Cui, K. Deisseroth, T.N. Ng, Z. Bao, Science 350, 313 (2015). S. Kabiri Ameri, R. Ho, H. Jang, L. Tao, Y. Wang, L. Wang, D.M. Schnyer, D. Akinwande, N. Lu, ACS Nano 11, 7634 (2017). M. Kaltenbrunner, T. Sekitani, J. Reeder, T. Yokota, K. Kuribara, T. Tokuhara, M. Drack, R. Schwödiauer, I. Graz, S. Bauer-Gogonea, S. Bauer, T. Someya, Nature 499, 458 (2013). M. Drack, I. Graz, T. Sekitani, T. Someya, M. Kaltenbrunner, S. Bauer, Adv. Mater. 27, 34 (2014). Z. Sonner, E. Wilder, T. Gaillard, G. Kasting, J. Heikenfeld, Lab Chip 17, 2550 (2017). A.J. Bandodkar, I. Jeerapan, J. Wang, ACS Sens. 1, 464 (2016). J. Heikenfeld, Nature 529, 475 (2016). Z. Sonner, E. Wilder, J. Heikenfeld, G. Kasting, F. Beyette, D. Swaile, F. Sherman, J. Joyce, J. Hagen, N. Kelley-Loughnane, R. Naik, Biomicrofluidics 9, 31301 (2015). Y.H. Kim, S.J. Kim, Y.-J. Kim, Y.-S. Shim, S.Y. Kim, B.H. Hong, H.W. Jang, ACS Nano 9, 10453 (2015). M. Kim, H. Alrowais, C. Kim, P. Yeon, M. Ghovanloo, O. Brand, Lab Chip 17, 2323 (2017). F. Zhang, G. Qu, E. Mohammadi, J. Mei, Y. Diao, Adv. Funct. Mater. 27 (2017), doi:10.1002/adfm.201701117. W. Gao, S. Emaminejad, H.Y.Y. Nyein, S. Challa, K. Chen, A. Peck, H.M. Fahad, H. Ota, H. Shiraki, D. Kiriya, D.-H. Lien, G.A. Brooks, R.W. Davis, A. Javey, Nature 529, 509 (2016). R.K. Mishra, L.J. Hubble, A. Martín, R. Kumar, A. Barfidokht, J. Kim, M.M. Musameh, I.L. Kyratzis, J. Wang, ACS Sens. 2, 553 (2017). S.P. Lacour, G. Courtine, J. Guck, Nat. Rev. Mater. 1 (2016), doi:10.1038/natrevmats.2016.63. G. Cai, J. Wang, K. Qian, J. Chen, S. Li, P.S. Lee, Adv. Sci. U.S.A. 4 (2017), doi:10.1002/advs.201600190. D.J. Lipomi, Adv. Mater. 28, 4180 (2016). D.-H. Kim, J. Song, W.M. Choi, H.-S. Kim, R.-H. Kim, Z. Liu, Y.Y. Huang, K.-C. Hwang, Y. Zhang, J.A. Rogers, Proc. Natl. Acad. Sci. 105, 18675 (2008). A.M.V. Mohan, N. Kim, Y. Gu, A.J. Bandodkar, J.-M. You, R. Kumar, J.F. Kurniawan, S. Xu, J. Wang, Adv. Mater. Technol. 2 (2017), doi:10.1002/admt.201600284. S.E. Root, S. Savagatrup, A.D. Printz, D. Rodriquez, D.J. Lipomi, Chem. Rev. 117, 6467 (2017). S. Savagatrup, A.D. Printz, T.F. O’Connor, A.V. Zaretski, D.J. Lipomi, Chem. Mater. 26, 3028 (2014). G. Qu, J.J. Kwok, Y. Diao, Acc. Chem. Res. 49, 2756 (2016). H. Chung, Y. Diao, J. Mater. Chem. C 4, 3915 (2016). M.D. Dickey, Adv. Mater. (2017), doi:10.1002/adma.201606425. N. Kazem, T. Hellebrekers, C. Majidi, Adv. Mater. 29 (2017), doi:10.1002/adma.201605985. M.G. Mohammed, R. Kramer, Adv. Mater. 29 (2017), doi:10.1002/adma.201604965. R.A. Bilodeau, E.L. White, R.K. Kramer, Proc. IEEE/RSJ Inter. Conf. Intell. Robots Syst. (IROS) (2015), pp. 2324–2329. R.K. Kramer, (2015), http://dx.doi.org/10.1117/12.2176581. C. Keplinger, J.-Y. Sun, C.C. Foo, P. Rothemund, G.M. Whitesides, Z. Suo, Science 341, 984 (2013). C.-C. Kim, H.-H. Lee, K.H. Oh, J.-Y. Sun, Science 353, 682 (2016). J. Ma, J. Lee, S.S. Han, K.H. Oh, K.T. Nam, J.-Y. Sun, ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 29220 (2016). F. Zhu, L. Cheng, Z.J. Wang, W. Hong, Z.L. Wu, J. Yin, J. Qian, Q. Zheng, ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 11363 (2017). J.P. Gong, Soft Matter 6, 2583 (2010). J.-Y. Sun, X. Zhao, W.R.K. Illeperuma, O. Chaudhuri, K.H. Oh, D.J. Mooney, J.J. Vlassak, Z. Suo, Nature 489, 133 (2012). T.L. Sun, T. Kurokawa, S. Kuroda, A.B. Ihsan, T. Akasaki, K. Sato, M.A. Haque, T. Nakajima, J.P. Gong, Nat. Mater. 12, 932 (2013). M.C. Darnell, J.-Y. Sun, M. Mehta, C. Johnson, P.R. Arany, Z. Suo, D.J. Mooney, Biomaterials 34, 8042 (2013). J. Odent, T.J. Wallin, W. Pan, K. Kruemplestaedter, R.F. Shepherd, E.P. Giannelis, Adv. Funct. Mater., doi:10.1002/adfm.201701807. Y. Su, X. Ping, K.J. Yu, J.W. Lee, J.A. Fan, B. Wang, M. Li, R. Li, D.V. Harburg, Y. Huang, C. Yu, S. Mao, J. Shim, Q. Yang, P.-Y. Lee, A. Armonas, K.-J. Choi, Y. Yang, U. Paik, T. Chang, T.J. Dawidczyk, Y. Huang, S. Wang, J.A. Rogers, Adv. Mater. 29 (2017), doi:10.1002/adma.201604989. Y. Zhang, S. Wang, X. Li, J.A. Fan, S. Xu, Y.M. Song, K.-J. Choi, W.-H. Yeo, W. Lee, S.N. Nazaar, B. Lu, L. Yin, K.-C. Hwang, J.A. Rogers, Y. Huang, Adv. Funct. Mater. 24, 2028 (2014). N. Naserifar, P.R. LeDuc, G.K. Fedder, Adv. Mater. 28, 3584 (2016). R. Libanori, R.M. Erb, A. Reiser, H. Le Ferrand, M.J. Süess, R. Spolenak, A.R. Studart, Nat. Commun. 3, 1265 (2012). D. Wirthl, R. Pichler, M. Drack, G. Kettlguber, R. Moser, R. Gerstmayr, F. Hartmann, E. Bradt, R. Kaltseis, C.M. Siket, S.E. Schausberger, S. Hild, S. Bauer, M. Kaltenbrunner, Sci. Adv. 3, e1700053 (2017). M.K. Choi, O.K. Park, C. Choi, S. Qiao, R. Ghaffari, J. Kim, D.J. Lee, M. Kim, W. Hyun, S.J. Kim, H.J. Hwang, S.-H. Kwon, T. Hyeon, N. Lu, D.-H. Kim, Adv. Healthc. Mater. 5, 80 (2016). M. Sitti, R.S. Fearing, J. Adhes. Sci. Technol. 17, 1055 (2003). J.H. Waite, J. Exp. Biol. 220, 517 (2017). B.P. Lee, S. Konst, Adv. Mater. 26, 3415 (2014). C. Laschi, M. Cianchetti, B. Mazzolai, L. Margheri, M. Follador, P. Dario, Adv. Robot. 26, 709 (2012). I.A. Anderson, T.A. Gisby, T.G. McKay, B.M. O’Brien, E.P. Calius, J. Appl. Phys. 112, 41101 (2012). H. Zhao, K. O’Brien, S. Li, R.F. Shepherd, Sci. Robot. 1 (2016), doi:10.1126/scirobotics.aai7529. G. Cai, J. Wang, P.S. Lee, Acc. Chem. Res. 49, 1469 (2016). C. Yan, W. Kang, J. Wang, M. Cui, X. Wang, C.Y. Foo, K.J. Chee, P.S. Lee, ACS Nano 8, 316 (2014). S.A. Morin, R.F. Shepherd, S.W. Kwok, A.A. Stokes, A. Nemiroski, G.M. Whitesides, Science 337, 828 (2012). T.J. Wallin, J.H. Pikul, S. Bodkhe, B.N. Peele, B.C.M. Murray, D. Therriault, B.W. McEnerney, R.P. Dillon, E.P. Giannelis, R.F. Shepherd, J. Mater. Chem. B 5, 6249 (2017). S.A. Morin, Y. Shevchenko, J. Lessing, S.W. Kwok, R.F. Shepherd, A.A. Stokes, G.M. Whitesides, Adv. Mater. 26, 5991 (2014). S.S. Robinson, K.W. O’Brien, H. Zhao, B.N. Peele, C.M. Larson, B.C. Mac Murray, I.M. Van Meerbeek, S.N. Dunham, R.F. Shepherd, Extreme Mech. Lett. 5, 47 (2015). J. Li, A.D. Celiz, J. Yang, Q. Yang, I. Wamala, W. Whyte, B.R. Seo, N.V. Vasilyev, J.J. Vlassak, Z. Suo, D.J. Mooney, Science 357, 378 (2017). F. Herbst, D. Döhler, P. Michael, W.H. Binder, Macromol. Rapid Commun. 34, 203 (2013). W.H. Binder, Self-Healing Polymers: From Principles to Applications (Wiley, Weinheim, Germany, 2013). Pacemaker-Results. Mayo Clinic, http://www.mayoclinic.org/tests-procedures/pacemaker/details/results/rsc-20198673. M. Kaltenbrunner, G. Kettlgruber, C. Siket, R. Schwoediauer, S. Bauer, Adv. Mater. 22, 2065 (2010). A.M. Gaikwad, A.M. Zamarayeva, J. Rousseau, H. Chu, I. Derin, D.A. Steingart, Adv. Mater. 24, 5071 (2012). C. Wang, W. Zheng, Z. Yue, C.O. Too, G.G. Wallace, Adv. Mater. 23, 3580 (2011). J. Ren, Y. Zhang, W. Bai, X. Chen, Z. Zhang, X. Fang, W. Weng, Y. Wang, H. Peng, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 126, 7998 (2014). K. Xie, B. Wei, Adv. Mater. 26, 3592 (2014). S. Xu, Y. Zhang, J. Cho, J. Lee, X. Huang, L. Jia, J.A. Fan, Y. Su, J. Su, H. Zhang, H. Cheng, B. Lu, C. Yu, C. Chuang, T. Kim, T. Song, K. Shigeta, S. Kang, C. Dagdeviren, I. Petrov, P.V. Braun, Y. Huang, U. Paik, J.A. Rogers, Nat. Commun. 4, 1543 (2013). Y. Qi, N.T. Jafferis, K. Lyons, C.M. Lee, H. Ahmad, M.C. McAlpine, Nano Lett. 10, 524 (2010). D. Maurya, Y. Zhou, Y. Wang, Y. Yan, J. Li, D. Viehland, S. Priya, Sci. Rep. 5 (2015), doi:10.1038/srep08595. S. Priya, H.-C. Song, Y. Zhou, R. Varghese, A. Chopra, S.-G. Kim, I. Kanno, L. Wu, D.S. Ha, J. Ryu, R.G. Polcawich, Energy Harvest. Syst. 4, 3 (2017). F. Invernizzi, S. Dulio, M. Patrini, G. Guizzetti, P. Mustarelli, Chem. Soc. Rev. (2016), doi:10.1039/C5CS00812C. F. Suarez, D.P. Parekh, C. Ladd, D. Vashaee, M.D. Dickey, M.C. Öztürk, Appl. Energy. 202, 736 (2017). T.F. O’Connor, A.V. Zaretski, S. Savagatrup, A.D. Printz, C.D. Wilkes, M.I. Diaz, E.J. Sawyer, D.J. Lipomi, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 144, 438 (2016). W. Jia, G. Valdés-Ramírez, A.J. Bandodkar, J.R. Windmiller, J. Wang, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 52, 7233 (2013). W. Jia, X. Wang, S. Imani, A.J. Bandodkar, J. Ramírez, P.P. Mercier, J. Wang, J. Mater. Chem. A 2, 18184 (2014). M. Kaltenbrunner, G. Adam, E.D. Głowacki, M. Drack, R. Schwödiauer, L. Leonat, D.H. Apaydin, H. Groiss, M.C. Scharber, M.S. White, N.S. Sariciftci, S. Bauer, Nat. Mater. 14, 1032 (2015). T. Kim, J.-H. Kim, T.E. Kang, C. Lee, H. Kang, M. Shin, C. Wang, B. Ma, U. Jeong, T.-S. Kim, B.J. Kim, Nat. Commun. 6 (2015), doi:10.1038/ncomms9547. D.J. Lipomi, B.C.-K. Tee, M. Vosgueritchian, Z. Bao, Adv. Mater. 23, 1771 (2011). P.P. Mercier, A.C. Lysaght, S. Bandyopadhyay, A.P. Chandrakasan, K.M. Stankovic, Nat. Biotechnol. 30, 1240 (2012). L.Y. Chen, B.C.-K. Tee, A.L. Chortos, G. Schwartz, V. Tse, D.J. Lipomi, H.-S.P. Wong, M.V. McConnell, Z. Bao, Nat. Commun. 5 (2014), doi:10.1038/ncomms6028.