2017年12月20日，清華大學航天航空學院、柔性電子技術研究中心馮雪教授課題組在Science Advances上發(fā)表了題為Skin-like biosensor system via electrochemical channels for noninvasive blood glucose monitoring的研究論文，報道《用于無創(chuàng)血糖監(jiān)測的電化學雙通道類皮膚生物傳感系統(tǒng)》。 該成果基于類皮膚柔性傳感技術建立了新的無創(chuàng)血糖測量醫(yī)學方法，在人體皮膚表面實現(xiàn)了醫(yī)學意義上的無創(chuàng)血糖測量并具有醫(yī)療級精度，為解決無創(chuàng)血糖動態(tài)連續(xù)監(jiān)測提供了一條新途徑，對全球數(shù)以億計的糖尿病患者的治療與慢病管理具有重要的社會意義。

在這一工作中，馮雪課題組發(fā)展了基于力學-化學耦合原理的電化學雙通道無創(chuàng)血糖測量方法，利用可以與人體自然共型貼附的柔性電子器件，對皮膚表面施加不會引起皮膚不良反應的電場，通過離子導入的方式改變組織液滲透壓，調(diào)控血液與組織液滲透和重吸收平衡關系，驅(qū)使血管中的葡萄糖按照設計路徑主動、定向地滲流到皮膚表面，繼而通過只有3.8微米厚的超薄柔性生物傳感器件進行高精度測量。

清華大學航天航空學院、柔性電子技術研究中心馮雪教授

為了實現(xiàn)皮膚表面的微量葡萄糖精準測量，馮雪課題組結合多年的可延展柔性電子器件研究經(jīng)驗，基于力學原理在1.2微米厚的薄膜上制備了具有四層功能層的類皮膚生物傳感器。通過制備器件表面微結構實現(xiàn)了納米級厚度的電子介體電化學沉積，利用基于液體表面張力和蒸發(fā)毛細力的仿生液滴轉印方法，將多層超薄生物傳感器從制備基底上無損地剝離下來，實現(xiàn)整體厚度只有3.8微米的類皮膚柔性生物傳感器的制備。該傳感器具有130.4μA/mM的葡萄糖測量靈敏度和對葡萄糖的高度選擇性，重復測量誤差小于1%。

馮雪教授表示，“柔性電子器件是一個新興的多學科交叉領域，里面涉及力學、材料、化學、電子以及信息等多個學科。從個人角度而言，我覺得首先做科研要有開放的心態(tài)以及廣闊的眼界，能夠與不同學科的科研工作者溝通，聽懂不同學科的語言，了解在不同領域的難點與痛點，多思考運用自身學科可以如何解決這些問題。”

客觀上來看，固體力學和面向醫(yī)療的柔性電子器件看似跨度很大，但實際上有很深入緊密的聯(lián)系。無機柔性電子，尤其是可延展電子器件的開創(chuàng)與力學很有淵源。力學分析對無機可延展柔性電子的結構設計和關鍵制備方法起到了開創(chuàng)性的指導作用。無機電子材料，包括金屬、半導體等對應力應變非常敏感，如何設計功能單元、互聯(lián)導線結構使得器件整體在柔性大變形環(huán)境中電子材料不發(fā)生破壞且保持優(yōu)良性能是擺在柔性電子器件面前首當其沖的問題。從結構設計、器件制備到器件可靠性測試，柔性電子器件的各個階段都需要力學分析。

當然僅僅依靠力學分析，不能完全解決柔性電子應用于醫(yī)療領域的各種問題。要將柔性電子領域向前推動，我們需要醫(yī)學、信息、材料、化學、電子等多個學科的共同努力，醫(yī)學提供應用場景與性能指標，材料、化學提供新型電子材料和新型界面，力學提出革新性的結構設計與可靠性保障，電子提供從微結構到系統(tǒng)集成的制備方法，信息提供通訊技術與數(shù)據(jù)挖掘。如此，多學科深入交叉，密切合作，快速迭代，才能最終形成一個真正能改變?nèi)藗兩畹某墒飚a(chǎn)業(yè)。固體力學是一門較為基礎的學科，具有廣泛的工程應用背景，這影響和決定了我的眼界與思維不會囿于一隅，可以很容易開展跨學科研究。

針對柔性傳感技術未來發(fā)展如何？馮雪教授表示，“柔性醫(yī)療電子器件研究是一項面向應用的研究，因此基礎科學與應用研究之間具有密切的聯(lián)系。基礎科學既解決應用問題，同時也受其驅(qū)動。應用研究既依賴于基礎研究的進步也檢驗并真正釋放基礎研究的實際社會效應與價值。這兩者之間具有天然的良性耦合，使得它們必然密不可分。對我而言，兩者其實是一個有機的整體，互為增益，我都一樣重視。在我的工作中，一方面在實驗室開展基礎研究，另一方面也與醫(yī)學領域保持密切合作。”

關于未來，柔性電子的發(fā)展空間和潛力十足。它既有改變?nèi)藗兩睢⑻嵘|(zhì)量的能力與愿景，也還存在較多瓶頸與空白有待我們突破與填充。對于布局，我認為從柔性電子整個領域的發(fā)展去考慮，它需要深入的基礎研究來解決技術上的關鍵問題，也需要真正解決人類痛點問題的應用研究與研究成果轉化，并逐步搭建起良好的生態(tài)環(huán)境，將基礎研究、應用轉化以及其他環(huán)節(jié)耦合在一起，形成良性發(fā)展的生態(tài)圈。從實際操作而言，基于柔性電子多學科交叉的特點，它急需整合各學科資源；基于它基礎與應用并重的性質(zhì)，它急需將科研界與產(chǎn)業(yè)界打通，從而使柔性電子領域進入高速發(fā)展時代。

備注：清華大學航院、柔性電子技術研究中心博士生陳毅豪為文章第一作者，馮雪教授是通訊作者。該研究工作得到了科技部973計劃項目、國家自然科學基金項目的資助。