柔性電子再登Nature正刊！

斯坦福大學的鮑哲南院士和James C. Y. Dunn老師

利用臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

創(chuàng)造性地將二維薄膜卷成直徑堪比頭發(fā)絲的一維纖維傳感器

【引言】

在科研和臨床應用中，對多模態(tài)傳感與刺激的需求正日益增長。人們迫切需要能同時測量壓力、化學信號、電活動的設備，還希望它們柔軟、微小、能長期穩(wěn)定地工作。然而，現(xiàn)有纖維傳感器存在剛性高、組件布局精度低、功能有限以及活性組件密度低等問題。其根源在于，常規(guī)的微納加工技術（比如光刻）并不適用于又細又長的曲面結構。如何在這種又細又長的曲面結構里“裝下”成百上千個功能器件，成了科學家的難題。

近日，斯坦福大學研究團隊通過螺旋神經線（S-NeuroString）有效地解決了這個問題，即采用 “螺旋轉化” 技術，將包含微制造器件的二維薄膜像壽司一樣“卷成”一維柔性纖維，這種方法能夠制造高密度多模態(tài)柔性生物電子纖維傳感器，同時可對功能組件的縱向、角度和徑向定位及分布實現(xiàn)精確控制。

這項研究突破性制造出小型、柔軟、多功能的電子纖維傳感器！并在小鼠大腦和豬腸道中均表現(xiàn)出優(yōu)異性能：可實現(xiàn)長達 4 個月的連續(xù)高密度單神經元記錄，同時還在直徑 230 微米的柔性纖維上集成了 1280 個通道，革命性地推動了微創(chuàng)植入式電子設備的發(fā)展！該成果以“High-density soft bioelectronic fibres for multimodal sensing and stimulation”為題發(fā)表在《Nature》上。

【精彩圖文展示】

a. 示意圖展示了帶有微圖案組件的二維薄膜向一維纖維的轉化過程。該過程首先在二維薄膜上制造組件，然后將其轉化為纖維，最后一步是對纖維進行處理以實現(xiàn)層間緊密結合。

b. 用于制備高密度細型S-NeuroString（如圖c所示）的含微制造器件的二維薄膜照片。

c. 兩段高密度S-NeuroString的照片（直徑分別為250 μm和400 μm），每段均包含150個傳感器（81個壓力傳感器和69個電化學傳感器）。這些纖維分別由3厘米寬、1.5 μm厚或4.5 μm厚的基底制備而成。從二維到一維的轉化顯著提高了單位寬度內的器件密度，即從每30 mm寬度150個組件提升至每0.25 mm寬度150個組件（相當于縮減了120倍）。

d. 尖端直徑為150 μm的S-NeuroString與人類頭發(fā)的對比照片（以頭發(fā)為參照）。

e. 展示該生物電子纖維柔軟性和靈活性的照片，其可輕松縫合到織物中、打結、在軟明膠上彎曲以及被拉伸。比例尺：1 cm（b、e（打結、彎曲、拉伸）），2 mm（c、d、e（縫合））。

研究人員首先利用臺式無掩膜激光直寫光刻機Microwriter ML3在3 cm寬、1.5 μm厚二維彈性薄膜上利用180 mm2/min的超高加工速度，適用于寬光譜、g 線、h 線及 i 線正性與負性光刻膠的385 nm長壽命半導體光源，穩(wěn)定的且最小加工分辨率為400 nm的物鏡圖案化加工了150個組件，然后卷成一根柔性電子纖維，從二維到一維的轉化顯著提高了單位寬度內的器件密度，即從每30 mm寬度150個組件提升至每0.25 mm寬度150個組件（相當于縮減了120倍），直徑堪比一根人類頭發(fā)絲，并且非常柔軟和靈活，可以輕易縫合到織物中、打結、在軟明膠上彎曲以及被拉伸，創(chuàng)新性做到了把“高密度、多功能、柔軟可彎”的電子元件真正做進了一根細絲里。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

螺旋神經絲的誕生，不僅在工程領域將 “二維轉化為一維” 的創(chuàng)新構想變?yōu)楝F(xiàn)實，更直觀展現(xiàn)出柔性電子技術在臨床診療與科研探索中的廣闊應用前景。作為一款兼具微小、柔軟、多功能的一維傳感器，它既能深入腦部特定區(qū)域，實現(xiàn)對單個神經元的長期動態(tài)監(jiān)測；也可精準植入腸道，同步完成實時生理信號感知與靶向干預操作；此外，其功能邊界還可進一步拓展至光學成像、化學傳感等多模態(tài)檢測領域。

從應用潛力來看，這項技術未來有望催生一系列突破性場景：例如為嬰幼兒腸道功能提供實時監(jiān)護方案，為阿爾茨海默病、帕金森病等神經退行性疾病的機制研究搭建新平臺，甚至為 “腦 - 腸軸” 這一復雜生理網(wǎng)絡的長期動態(tài)追蹤提供關鍵工具。不僅如此，依托其獨特的纖維狀形態(tài)，螺旋神經絲還能向更多跨界領域延伸 —— 融入智能織物實現(xiàn)生理數(shù)據(jù)的無感采集，集成至可穿戴設備提升健康監(jiān)測的精準度，或作為核心組件賦能軟體機器人的柔性操控，為多領域技術升級提供新思路。

不難預見，這根“柔性電子絲”，正以其多元的功能與靈活的應用場景，悄然勾勒出醫(yī)療技術與智能科技深度融合的未來圖景。