专注生物集成器件开发科学家发展三维微尺度结构组装方法

2024-08-17 05:49:18

　　米兰体育app下载他专注研发新一代用于生物集成的多功能器件，探索如何把功能复杂的人造系统和生物体紧密交互，以将更加可靠便捷的数字化生物医疗技术带给普通大众，从而推动医疗革新和生命科学研究。

　　围绕该方向，他发展了一套以固体力学理论为指导的结构设计、分析模拟和制备方法，用于设计和制备高性能生物集成器件。

　　这主要包含三个层次：用于个人层次的可穿戴柔性电子器件；用于细胞和组织层次的三维智能多功能生物集成界面；以及用于材料和结构层次的可重编程的力学超材料系统。

　　凭借将智能电子和微流体技术融入生命系统，创建了用于应对医疗挑战的多功能生物集成微尺度系统，从药物筛查、疗法探索、人造器官培养等多个维度推动生物医学研究，栾海文成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。

　　如上所说，此前，要想让二维电子器件与三维柔软的生物组织完美结合，以实现对后者进行电生理监测的目的，是一件非常困难的事情。

　　具有开放网络的三维微结构在生物界中随处可见。因此，栾海文与合作者希望通过设计和制备一些三维微尺度电子器件，来更好地与生物组织进行结合。

　　经过多方调查和研究，他们提出一个设想：通过将材料做薄和施加挤压的手段，能否将高性能二维电子器件重构成三维结构？

　　在他们看来，虽然用于制备半导体电子器件的硅材料本身又硬又脆，但如果它足够薄，就会变得非常柔软和容易变形，且在弯曲过程中也不容易发生断裂。

　　然而，脆性材料即便很薄还是不能承受拉伸或扭转。此前设计无机可延展电子的其中一个思路是，把薄膜材料预压缩成波浪状，通过压缩屈曲的几何形状赋予脆性材料可拉伸的力学性能。该压缩屈曲的方法可以诱导二维结构变形成三维，启发了三维微结构的设计与制备。

　　“也就是说，在二维结构的局部引入相应的挤压力，诱使它产生压缩屈曲，这样就能可控地将其从二维结构变成三维结构，也就能够制备出三维柔性的高性能电子器件。”栾海文解释道。

　　栾海文指出：“该技术具有很强的通用性，不仅能用于各种无机材料和有机材料，材料自身可软可硬，还适用于纳米、微米、厘米、分米等各种尺度。”

　　这是因为，从二维到三维的结构变形，会受到二维结构的限制，导致无法形成某些三维结构。所以，基于该技术构建尽可能多的几何结构，是栾海文在读博期间的一项主要工作。

　　第二，在将该技术用于电子器件的同时，是否还能将其扩展到其他领域，比如三维微流体网络的设计和制备。

　　在这方面，栾海文与合作者开发了一款三维柔性多功能神经接口，可实现对人脑皮质类器官的轻柔包裹 [4,5]。

　　他们主要通过力学设计的方法，设计出能够与人脑皮质类器官形状进行匹配的复杂三维结构，然后用它来带动包括感知和刺激等功能在内的电子器件，轻柔附着到人脑皮质类器官的表面，以达到对后者全方位的电生理监测。值得注意的是，微电极等器件的空间位置分布可由力学分析来精准预测。

　　据了解，该神经接口首次实现在整个人脑类器官表面观测神经活动，可以为研究、理解并治疗神经疾病和神经创伤提供所需平台，从而为大脑修复带来更好的方案。

　　同时，还可以通过该三维神经接口把两个不同的人脑类器官结合在一起，以研究大脑不同脑区之间的功能和联系。

　　实际上，在三维生物界面中，除了有用于感测和调节生物行为的电子元件，还需要一种可以供养更大更复杂的生物组织的“生命线”，以运输养料和排除废物。

　　栾海文指出，该方法是创建集运输与感测/执行为一体的智能三维微血管系统的重要可行方法，与此前 3D 打印、激光烧蚀等技术相比，至少具备如下优势：

　　“凭借这三点优势，该方法得以拥有比较广阔的应用空间。除了能在生化分析、药物输送等领域实现重要应用，还适合制备复杂的人造血管网络。”栾海文表示。

　　父母的职业给栾海文的成长带来了潜移默化的影响，帮助他从很小就培养起一些良好的学习习惯。比如，对新事物有强烈的好奇心、喜欢积极提问，遇到新想法和新知识时会及时记录在笔记中等。

　　中学阶段，栾海文对建筑学产生了浓厚兴趣，而 2008 年汶川地震的发生，让他认识到土木工程专业的重要性。于是，2009 年高考结束后，他选择报考同济大学的土木工程专业并被顺利录取。

　　2013 年本科毕业后，他远赴美国西北大学，并在该校度过了硕士、博士和博士后三个科研上的重要时期。

　　硕士阶段，他继续学习土木工程专业，师从美国三院院士黄永刚教授，潜心在力学分析与结构设计方向深造，希望将来能为人民群众构建坚固可靠的居所。

　　在黄教授的指导下，他渐渐发现力学分析与结构设计可以在微纳米电子器件加工领域，尤其是可延展电子器件上，发挥无可替代的重要作用，而这两项技能恰好是他本科学习时的专长。因此，他主攻微尺度可延展电子器件力学特性的研究。

　　博士阶段，他攻读机械工程专业固体力学方向，研究力学引导三维微尺度结构组装及其在生物集成器件领域的应用，会借助有限元模拟和解析力学模型来探索相关课题。

　　“通过力学研究，我研发的一系列三维电子生物界面，能够跨越物理性质上的巨大差异，让电子和生物之间实现更为紧密的交互，从而推进生物医学领域的研究。”栾海文说。

　　博士后阶段，栾海文师从美国四院院士约翰·A·罗杰斯（John A. Rogers）教授，学习关于生物集成微纳米器件的实验技能。

　　他不仅掌握了制备、表征、维护等各方面知识，还善于运用研究生阶段学到的理论和计算技能，这让他成为可以在生物集成微尺度器件领域，独立开展全套研究的科研工作者。

　　另外，值得一提的是，他也曾在罗杰斯院士参与创办的一家创业公司中，做过兼职和技术咨询工作，并参与研发皮肤集成柔性可拉伸的穿戴器件。

　　据了解，此类器件依靠常见的智能手机/平板电脑，即可提供重症监护级别的健康信号监测，例如可以对早产儿进行不间断的健康监测。

　　比如，发展新的力学理论来指导三维微尺度结构组装等基础研究，用以推进下一代三维微电子技术和三维微血管网络的研发，进而更好地为生命科学和医疗事业贡献力量。