必看最新Nature系列综述：可穿戴生物电子！

来源：深圳摩方新材科技有限公司 2025年05月23日 11:23

穿戴式生物电子学是一种将电子设备与人体紧密结合的技术，能实时监测健康状况、辅助诊断、输送药物和刺激神经。它通过高精度传感器采集身体表面和内部的生理、生化信号，但传统设备在贴合性和信号稳定性上存在不足。近年来，研究正朝着微纳米级、三维结构方向发展，以增强与人体的贴合度和信号质量。这推动了先进制造技术的发展，如3D打印、微针电极制作和多材料集成，使设备更柔软、精准并能深入组织，大幅提升穿戴舒适性和数据准确性（图1）。

图1. 可穿戴生物电子学的发展。

在此，浙江大学平建峰课题组介绍了3D制造技术的最新进展，重点讲述了一些能够跨尺度、混合多种材料的制造方法。这些新技术有效解决了生物电子接口在空间结构复杂性和材料力学不匹配上的难题，让设备更舒适地贴合人体，同时保证信号传输的精准稳定。为了推动这个领域的突破，跨学科合作至关重要，特别是将人工智能融入其中，有望带来创新性的变革。未来，如果能以低成本、可规模化的方式制造出高精度的生物电子设备，就有望在医疗健康、人机交互和个性化医疗等领域大放异彩。相关成果以“Three-dimensional micro- and nanomanufacturing techniques for high-fidelity wearable bioelectronics”发表在《Nature Reviews Electrical Engineering》上，第一作者为Peidi Fan。

3D微纳米制造技术

高保真生物电子设备在医学领域前景广阔，但要实现精准贴合和稳定性能，必须具备三大要素：个性化设计以贴合人体组织、高纵横比或复杂3D结构以适应微观环境、以及柔性且生物相容的材料。然而，柔性材料加工难度大、精度低，且与刚性电子元件结合时易产生应力问题。为应对这些挑战，先进的3D微纳制造技术不断涌现，推动设备向高精度、多功能发展。目前常用技术包括增材制造，如FDM（图2a）和DIW（图2b），适合构建结构复杂、材料多样的设备；电化学沉积（图2c）实现原子级打印，但受限于工业速度；气溶胶喷射打印（AJP，图2d）适用于非平面高精度打印。光固化技术如SLA和DLP（图2e–f）能快速打印高分辨率结构，CLIP（图2g）则大幅提升速度并改善表面质量；双光子聚合（图2h）具纳米级分辨率，但成本高、速度慢。减材制造则更适合结构强度要求高的应用，如激光加工（图2i）、微铣削（图2j）和光刻技术（图2k–l），可精密制造微结构但受限于设计自由度。模具复制类的微模塑（图2m–n）则通过软材料成型实现柔性仿生结构，适合批量生产和复杂微结构复制。整体来看，各类制造技术在精度、材料适配性、结构复杂度和量产能力之间各有优势，正共同推动高性能柔性生物电子设备的快速发展。

图2. 3D微制造和纳米制造技术。

除了直接制造技术，机械引导的3D组装是一种通过力学差异将平面结构转化为三维形态的间接制造方法，能够快速、低成本地批量生产复杂3D结构，适用于多种材料和尺寸。这种方法包括滚动、折叠、弯曲贴合和起皱等形式，可制造出螺旋、折纸、曲面贴附电路和花状框架等多种结构，具有良好的柔性和适应性。尽管其几何复杂度暂不及直接3D打印，但通过材料选择、结构设计和外部控制手段，已逐步实现可编程、可逆形变，提升了设备与人体组织的匹配度。同时，混合制造技术将刚性电子与柔性基底结合，兼顾舒适性与信号质量，适用于高性能可穿戴设备。原位3D打印也正用于将传感器直接打印在如肺部等动态组织表面，具备自适应能力，显著提升生物-电子界面的稳定性。展望未来，卷对卷印刷等大规模制造工艺将成为主流，因其能连续、低成本地集成多种关键工艺，实现柔性电子设备的工业化生产。

图3. 2D到3D组装技术。

高保真可穿戴生物电子器件的分类与应用

高保真生物电子设备通过精密设计和3D微纳制造技术，构建出适应生物组织结构和力学特性的微纳结构，从而实现更稳定、更清晰的信号采集，广泛应用于医学与神经科学研究。根据结构特点，这些设备主要分为三类（见图4）：穿刺结构、微沟槽结构和3D贴合结构。其中，3D穿刺结构如微针阵列，可微创穿透皮肤，采集更深层的生理和生化信息，如血糖、乳酸等，同时避免疼痛和损伤（图4a、4b）。微针还可集成传感器用于疾病监测、电生理记录和药物输送，适用于神经科学等领域。微沟槽结构内部具有精密通道，用于液体采集、分析和压力感应，可实现如压力、拉伸、流速等参数的高灵敏检测，并应用于智能可穿戴设备，如智能隐形眼镜、手套和手环（图4c、4d）。3D贴合结构则模仿人体组织的柔软特性，具备良好的柔性和拉伸性，能稳定贴合心脏、眼球、耳道等复杂曲面，提升信号质量并减少噪音（图4e–j）。这类设备通过超薄设计、柔性互联或可拉伸几何结构增强贴合度，还可借助导电水凝胶、石墨烯墨水等材料实现更高性能的生物界面。随着3D制造技术和材料科学的发展，未来这类结构将更智能、更适应人体，推动可穿戴医疗设备在健康监测、个性化治疗和人机交互等领域的广泛应用。

图4. 高保真可穿戴生物电子设备的常见结构和应用。

展望

尽管3D微纳制造技术为可穿戴生物电子设备带来了巨大进步，但目前仍面临如制造精度高、处理速度慢、难以兼容柔性材料等挑战，尤其是在实现稳定、高效的生物-电子界面方面。为解决硬软材料在界面处的应力集中问题，未来需推动刚性与柔性元件的一体化制造，并优化材料的力学性能与加工性能之间的矛盾。技术发展不能单独进行，材料科学、制造技术、生物工程、电气工程和人工智能等跨学科协作是关键。未来的制造材料需具备多功能性，如导电、自修复或药物释放能力；制造技术也应实现多材料集成、自动化及一体化功能，从而加快临床转化和产业化进程。采用模块化设计，可实现标准化生产与个性化定制并存。人工智能和机器学习的加入将进一步提升制造智能化水平：AI可优化材料选择、模拟合成路径、实时调整参数，并通过数字孪生实现虚拟建模与现实制造之间的高效联动。这种智能制造模式将推动3D微纳结构制造进入更高精度、更高效率的新阶段。

免责声明

凡本网注明“来源：化工仪器网”的所有作品，均为浙江兴旺宝明通网络有限公司-化工仪器网合法拥有版权或有权使用的作品，未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的，应在授权范围内使用，并注明“来源：化工仪器网”。违反上述声明者，本网将追究其相关法律责任。
本网转载并注明自其他来源（非化工仪器网）的作品，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责，不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时，必须保留本网注明的作品第一来源，并自负版权等法律责任。
如涉及作品内容、版权等问题，请在作品发表之日起一周内与本网联系，否则视为放弃相关权利。

必看最新Nature系列综述：可穿戴生物电子！

免责声明

联系我们

关注我们