本公開涉及可滲透可拉伸生物電子器件及其使用和制造方法。
背景技術(shù)：
：：1、可植入和可貼膚生物電子器件(implantable?and?skin-attachablebioelectronics)在為未來的即時(shí)診斷、治療、康復(fù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)提供實(shí)時(shí)和連續(xù)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)方面是必不可少的。在過去的幾十年里，科學(xué)家們通過在聚合物薄膜襯底(例如聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺(pi)和彈性體(例如聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯和ecoflex)上設(shè)計(jì)器件和電路圖案，已經(jīng)在開發(fā)高度可拉伸電子器件方面取得了顯著成就。通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)，這些可拉伸器件不僅具有類似甚至優(yōu)于在剛性襯底上制造的器件的電子功能，而且還具有能夠與軟組織進(jìn)行整合接觸從而避免在運(yùn)動(dòng)過程中界面分層的顯著依從性。2、除了高拉伸性外，長(zhǎng)期(chronic)(長(zhǎng)期(long-term))生物相容性對(duì)生物電子器件至關(guān)重要。據(jù)報(bào)道，薄膜(例如pdms)器件在皮膚和組織表面上的長(zhǎng)期貼附可能在長(zhǎng)期植入過程中由于滲透性不足和表面光滑而導(dǎo)致溫度生理不適，例如濕冷、潮濕、皮膚炎癥，甚至惡性腫瘤。當(dāng)聚合物襯底與軟組織相比過于硬(例如pi)時(shí)，長(zhǎng)期植入還可能導(dǎo)致組織瘢痕形成。因此，最近提倡開發(fā)超軟和可滲透類型的可拉伸電子產(chǎn)品，其中在提供高拉伸性和對(duì)于空氣、濕度甚至液體的滲透性的多孔彈性體襯底和水凝膠上制造電子器件。這些多孔彈性體襯底主要是通過在聚合物薄膜上設(shè)計(jì)微孔或通過直接電紡絲工藝制造的。值得注意的是，電紡絲在孔隙度、彈性和厚度的可調(diào)性方面顯示出優(yōu)勢(shì)，并已廣泛應(yīng)用于制造各種生物醫(yī)學(xué)器件。水凝膠通常是通過前體溶液(precursor?solution)的交聯(lián)、聚合和凝膠化來制備。3、然而，由于多孔彈性體襯底的表面粗糙度和孔隙度大，以及水凝膠的濕度，在這些超軟的可滲透襯底上進(jìn)行高分辨率的微電極圖案化非常具有挑戰(zhàn)性。到目前為止，已證實(shí)的可圖案化特征尺寸的范圍通常在100μm到數(shù)毫米之間，這導(dǎo)致了1-10個(gè)電極/cm2的低電極密度。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足旨在以高空間和時(shí)間分辨率進(jìn)行映射和干預(yù)的先進(jìn)生物電子器件的需求，這通常需要圖案化分辨率低至幾微米，或者電極密度超過100個(gè)電極/cm。4、因此，需要制造生物電子器件及其產(chǎn)品的改進(jìn)方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路1、在這項(xiàng)工作中，我們首次報(bào)道了通過光刻法，在柔性襯底上進(jìn)行可滲透可拉伸液態(tài)金屬(lm)微電極(μlme)的晶片規(guī)模圖案化，其具有低至2μm的高分辨率和超過75,000個(gè)電極/cm2的超高圖案化密度。這些μlme表現(xiàn)出組織樣機(jī)械柔軟性，當(dāng)拉伸到最高1000％的應(yīng)變時(shí)表現(xiàn)出出色的電導(dǎo)率，并且在長(zhǎng)期皮膚貼附和植入測(cè)試期間表現(xiàn)出長(zhǎng)期生物相容性。我們展示了超軟和可滲透神經(jīng)界面，用于腦皮質(zhì)電圖(ecog)信號(hào)的高時(shí)空分辨率映射和干預(yù)。2、在第一個(gè)方面，本文提供了可滲透可拉伸生物電子器件，包括柔性襯底和設(shè)置在柔性襯底表面上的一個(gè)或更多個(gè)電子元件，其中，柔性襯底包含生物相容性彈性體纖維或生物相容性水凝膠，并且一個(gè)或更多個(gè)電子元件中的每一個(gè)都獨(dú)立地包含金屬和液態(tài)金屬。3、在某些實(shí)施方案中，一個(gè)或更多個(gè)電子元件中的每一個(gè)都獨(dú)立地選自晶體管、二極管、電極、發(fā)生器(generator)、電感器、電容器和電阻器。4、在某些實(shí)施方案中，生物相容性彈性體纖維選自彈性體均聚物、彈性體嵌段共聚物、彈性體無規(guī)共聚物、彈性體接枝共聚物、彈性體刷狀共聚物、熱固性彈性體(elastomeric?thermoset)及其組合；并且生物相容性水凝膠包含選自聚(丙烯酸)、聚(乙烯醇)、聚(氧化乙烯)、聚(乙二醇)、明膠、膠原蛋白、聚丙烯酰胺、多糖及其組合的親水聚合物，其中親水聚合物是任選地交聯(lián)的。5、在某些實(shí)施方案中，生物相容性彈性體纖維包含苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-聚丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、聚(苯乙烯-嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯)共聚物、聚異戊二烯橡膠、丁二烯橡膠或其混合物；并且生物相容性水凝膠包含交聯(lián)聚(丙烯酸)。6、在某些實(shí)施方案中，生物相容性彈性體纖維包含苯乙烯-聚丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物；并且生物相容性水凝膠包含與n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)的聚(丙烯酸)。7、在某些實(shí)施方案中，生物相容性彈性體纖維的平均直徑為0.1μm至100μm。8、在某些實(shí)施方案中，包含生物相容性彈性體纖維的柔性襯底是經(jīng)等離子體處理的。9、在某些實(shí)施方案中，柔性襯底的厚度為25-330μm。10、在某些實(shí)施方案中，金屬包括銅、銀、金或其混合物。11、在某些實(shí)施方案中，液態(tài)金屬包括鎵、鎵合金或其混合物。12、在某些實(shí)施方案中，液態(tài)金屬包括共晶鎵銦合金(egain)、鎵銦錫合金(gainsn)或其混合物。13、在某些實(shí)施方案中，一個(gè)或更多個(gè)電子元件以100-75,000個(gè)電子元件/cm2的密度存在于柔性襯底的表面上。14、在某些實(shí)施方案中，柔性襯底包含與n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)的聚(苯乙烯-嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯)共聚物或聚(丙烯酸)；并且一個(gè)或更多個(gè)電子元件包含銀和共晶鎵銦合金(egain)，其中包含聚(苯乙烯-嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯)共聚物的柔性襯底是經(jīng)等離子體處理的。15、在某些實(shí)施方案中，一個(gè)或更多個(gè)電子元件包括電極。16、在第二方面，本文提供了制造本文所述可滲透可拉伸生物電子器件的方法，該方法包括：17、提供襯底，該襯底具有在其上形成的犧牲層，其中，犧牲層包含選自水溶性聚合物、水溶性糖、水溶性金屬鹽及其混合物的水溶性材料；18、將光刻膠層沉積在犧牲層上；19、使用圖案化掩模輻照光刻膠層，從而形成包括曝光的光刻膠層和未曝光的光刻膠層的輻照光刻膠層；20、使輻照光刻膠層與顯影劑接觸，從而去除曝光的光刻膠層或未曝光的光刻膠層，并形成包括曝光的圖案化犧牲層的圖案化光刻膠層；21、將金屬沉積在曝光的圖案化犧牲層上；22、去除輻照光刻膠層，從而在犧牲層上形成一個(gè)或更多個(gè)圖案化金屬結(jié)構(gòu)；23、將生物相容性彈性體纖維沉積在一個(gè)或更多個(gè)圖案化金屬結(jié)構(gòu)上，從而形成柔性襯底，該柔性襯底包括設(shè)置在柔性襯底表面上的一個(gè)或更多個(gè)圖案化金屬結(jié)構(gòu)；或?qū)⑺z前體溶液沉積在一個(gè)或更多個(gè)圖案化金屬結(jié)構(gòu)上，從而形成水凝膠前體涂層；固化水凝膠前體涂層，從而形成柔性襯底，該柔性襯底包括設(shè)置在柔性襯底表面上的一個(gè)或更多個(gè)圖案化金屬結(jié)構(gòu)；24、使?fàn)奚鼘优c含水溶劑(aqueous?so?l?vent)接觸，從而至少部分地溶解犧牲層；25、分離襯底和柔性襯底，該柔性襯底包括設(shè)置在柔性襯底表面上的一個(gè)或更多個(gè)圖案化金屬結(jié)構(gòu)；以及26、將液態(tài)金屬沉積在一個(gè)或更多個(gè)圖案化金屬結(jié)構(gòu)上，從而形成可滲透可拉伸生物電子器件。27、在某些實(shí)施方案中，使用電紡絲來沉積生物相容性彈性體纖維。28、在某些實(shí)施方案中，使包含生物相容性彈性體纖維的柔性襯底經(jīng)受1-30分鐘的等離子體處理。29、在某些實(shí)施方案中，光刻膠層包含負(fù)性光刻膠組合物，并且顯影劑去除未曝光的光刻膠層。30、在某些實(shí)施方案中，金屬包括銅、銀、金或其混合物；并且液態(tài)金屬包括鎵、鎵合金或其混合物。31、在某些實(shí)施方案中，使用電紡絲沉積生物相容性彈性體纖維；使柔性襯底經(jīng)受1-30分鐘的等離子體處理；金屬包括銅、銀、金或其混合物；并且液態(tài)金屬包括鎵、鎵合金或其混合物。當(dāng)前第1頁(yè)12當(dāng)前第1頁(yè)12