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来源：科研共进社收集编辑：Sunny
鲍哲南教授，K.K. Lee 化学工程教授，斯坦福大学化学及材料科学与工程学教授。她于 2016 年创立了斯坦福可穿戴电子学研究所 （eWEAR），并担任教务主任。2017年，鲍哲南升任斯坦福大学化学工程学院院长，她也是第一个在斯坦福当院长的华人女性。鲍哲南是美国国家工程院院士和美国国家发明院院士。在 2004 年加入斯坦福大学之前，鲍哲南教授于 1995 年至 2004 年间在贝尔实验室和朗讯科技公司担任杰出技术人员，并于 1995 年在芝加哥大学获得化学博士学位。她拥有 700 多篇参考出版物和 100 多项美国专利。近期，她获得了 2021 年 VinFuture 女性创新奖、2022年 ACS 材料化学奖、2021年 MRS 职业中期奖、2021年化学工程师学会（AIChE）化学工程研究Alpha Chi Sigma 奖、2020 年 ACS Central Science颠覆者与创新者奖，以及2020年ACS芝加哥会议吉布斯奖章。鲍哲南教授是 C3 Nano 和 PyrAmes 的联合创始人和董事会成员，这两家公司都是由硅谷风险投资资助的初创企业。她也是Fusion Venture Capital的顾问合伙人。接下来，我们汇总了鲍哲南教授团队在2022年取得的主要研究成果，以飨读者。下一代皮肤上发光显示器应具备柔软、可拉伸和明亮等性能。此前报道的可拉伸发光器件主要基于无机纳米材料，如发光电容器、量子点或钙钛。这些器件要么需要高工作电压，要么在应变下的拉伸性和亮度、分辨率或可靠性都非常有限。虽然可拉伸的聚合物材料具有良好的应变耐受性，但实现高亮度仍然是可拉伸发光二极管的巨大挑战。本研究报告了一种材料设计策略和制造工艺，以实现高亮度（约7450 坎德拉/平方米）、电流效率（约5.3 坎德拉/安培）和拉伸性（约100%应变）等性能。不仅如此，由此制造的红色、绿色和蓝色可拉伸全聚合物发光二极管，还能够实现皮肤无线供电和脉冲信号的实时显示，标志着向高性能可拉伸显示器又接近了一大步。 https://www.nature.com/articles/s41586-022-04400-12. Science：可实现高导电性可拉伸生物电子器件的拓扑超分子网络可植入和可穿戴的生物电子系统在生物医学应用中必不可少，主要用于疾病诊断的多模式生理信号监测、用于治疗的神经或心脏的可编程调制、修复失去的感觉运动功能等。然而，当该设备在动态移动的组织环境中运行时，许多现有设备会出现性能下降，有时甚至会出现故障。这主要源于电子和生物系统之间的机械不匹配（例如，模量和拉伸性不匹配），最终导致失效。基于柔软和导电有机材料的天然可拉伸的生物电子器件被广泛认为是与生物兼容和集成的理想接口。目前存在的重大挑战是将高机械坚固性与良好的导电性结合起来，这在制备小尺寸设备的时候尤为关键。本文开发了一种基于拓扑学中的超分子网络的分子工程方案，该方案允许将来自多个分子构建块的竞争效应解耦，以满足复杂的要求。经过实验，本文在真实的生理环境中同时获得了高电导率和裂纹应变数据，直接光感图案可以到达细胞层面。本文进一步收集了柔软的章鱼的稳定肌电信号，并进行了局部神经调节（精确到单个细胞），最终通过脑干控制器官作出特异性活动。 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7564神经递质在中枢神经系统和胃肠道等外周神经回路中起着重要的调节作用。对它们的实时监测将可为神经功能和疾病诊断提供重要信息。然而，当前用于监测体内神经递质动态的生物电子工具还不发达，尤其是在肠道神经系统方面。这主要是由于能用于检查人体的柔软、复杂和活动的器官的生物传感工具十分有限。本文介绍了一种具有组织模拟、可伸展的神经化学生物界面设备，称为NeuroString(神经串)。它是通过将金属络合的聚酰亚胺激光图案化并嵌入到弹性体中的相互连接的石墨烯/纳米颗粒网络中而制备的。通过NeuroString传感器，我们可以在行为正常的小鼠的大脑中进行实时和多通道的慢性单胺感测，还可以测量肠道中的血清素动力学而不会受到不必要的刺激和蠕动。本文所介绍的具有弹性和可整合的生物传感设备在研究神经递质对肠道微生物、脑-肠道通信的影响方面具有广泛的潜力，并最终可能扩展到身体其他软器官的生物分子传感应用之中。 https://www.nature.com/articles/s41586-022-04615-24. Nat. Nanotech.：具有稳固界面的可拉伸电子器件独立的塑料薄膜（如聚合物和金属）的破裂主要是由于应变定位到薄膜缺陷上而产生的。然而，当这样的薄膜被支撑在一个聚合物基底上时，应变定位可能会被基底弱化。因此，薄膜变得更容许伸长和变形。半导电聚合物薄膜是用于可穿戴和生物医学应用的软电子的基本要素。然而，具有高迁移率的半导体聚合物通常是很脆的，在小应变（<10%）下容易断裂。本研究表明，半导体薄膜和基材之间的界面特性工程可以明显地延迟薄膜中的微裂缝形成。因此，本研究提出了一个通用的设计策略，包括在半导体薄膜和基材之间共价键合一个耗散性界面聚合物层，由动态非共价交联组成。这使得两层材料之间具有较高的界面韧性，从而抑制了分层和应变的分散。因此，裂纹的发生和扩展明显可以推迟到更高的应变。具体来说，高迁移率半导电聚合物薄膜的裂纹发生应变从30%提高到110%，而且中间没有任何明显的微裂纹。尽管在卸载后，塑料半导电薄膜和弹性基材之间存在着较大的应变不匹配，但坚韧的界面层（tough interfaces, TIs）有助于保持粘合和特殊的循环耐久性和坚固性。此外，本研究设计的界面层减少了不同层之间的热膨胀系数的不匹配。这种方法可以改善各种半导体聚合物、导电聚合物甚至是金属薄膜的裂纹发生应变能力。 https://www.nature.com/articles/s41565-022-01246-65. Nat. Energy：溶剂分子调控策略可实现高性能锂金属电池电解质锂金属与传统液态电解质之间不可控制的副反应形成化学上不稳定的固体-电解质界面 (SEI) ，在循环过程中容易破裂，导致枝晶生长、“死锂”形成和不可逆的容量损失。液态电解质工程可同时调控SEI的结构和化学性质，并且和当前大规模生产模式基本无缝衔接。但是当前的液态电解质设计方法仍不完美，且缺少清晰的构效关系理解。本工作以DEE分子为基体，精细调控了端基的氟化程度与分子相互作用，得到了一系列氟化DEE（fluorinated-1,2-diethoxyethane ，1,2-二乙氧基乙烷）分子，实现了金属锂电池电极稳定性和高导离子率的平衡。本工作开发的电解质，尤其是F4DEE和F5DEE，同时具有高离子电导率、低且稳定的界面传输、可重现的高锂金属负极效率（对于Li||Cu半电池中的1.2 M LiFSI/F5DEE，高达99.9%，波动仅为±0.1%)、创纪录的快速活化（在Li||Cu半电池的第二个循环内，CE>99.3%）和高电压稳定性。本工作表明，通过微调溶剂的溶剂化能力来实现快速离子传导和电极稳定性之间的平衡至关重要，分子设计和合成工具在这里扮演着重要的角色。 https://www.nature.com/articles/s41560-021-00962-y6. Nat. Biomedical Engineering：低功率神经形态神经脊髓或下运动神经元受到损伤会导致四肢神经受损，而通过将神经信号从运动皮层传递到肌肉，神经康复器件可以增强四肢的运动。然而，传统的神经修复装置是刚性的，并且需要电力支持。本研究报道了一种可拉伸的神经形态植入物，它可以恢复患有神经运动障碍的小鼠腿部的协调和平滑运动，使动物能够完成行走或跑步等行为。神经形态植入物通过从兴奋性突触后信号产生电生理信号并提供本体感觉反馈，可充当人工传出神经。该装置以低功率（约为典型微处理器系统的1/150）运行，由水凝胶电极组成，水凝胶电极连接到可拉伸晶体管，该晶体管包含有机半导体纳米线（充当人工突触），通过离子凝胶连接到人工本体感受器，该本体感受器包含碳纳米管应变传感器（充当人工肌肉纺锤体）。具有本体感觉反馈的可伸展电子设备有望会启发神经康复高级神经形态设备的进一步发展。 https://www.nature.com/articles/s41551-022-00918-x7. Nat. Electronics：可实现快速手部操作识别的纳米网接收器在机器学习的帮助下，包括电子手套和电子皮肤在内的电子设备可以跟踪人手的移动，并执行物体和手势识别等任务。然而，这种装置仍然比较笨拙，并且缺乏适应身体弯曲的能力。此外，现有的信号处理模型需要大量的标记数据来识别每个用户的单个任务。在这里，作者报告了一种无基质纳米网状接收器，可与无监督元学习框架相结合，实现用户独立的、数据高效的不同手部任务识别。纳米网由生物相容材料制成，可以直接印在人的手上，其了通过将精细皮肤的电阻变化转化为本体感受来模拟人类皮肤感受器。单个纳米网格可以同时测量来自多个关节的手指运动。此外，作者还开发了一种时间相关的对比学习算法，可以区分不同的未标记运动信号。这种元学习信息可被进一步用于快速适应各种用户和任务，包括命令识别、键盘键入和对象识别。 https://www.nature.com/articles/s41928-022-00888-78. Nat. Biotechnology：无线闭环智能绷带基于多模态可穿戴设备的“智能”绷带可以实现实时生理监测和主动干预，以促进慢性伤口的愈合。然而，目前的智能绷带技术在传感器和刺激器的结合方面发展有限。此外，虽然粘附电极对于稳健的信号传导至关重要，但现有粘附敷料的分离可能导致对脆弱伤口组织的二次损伤。该研究通过开发一种灵活的生物电子系统试图解决上述这些问题。该系统由无线供电的闭环传感和刺激电路组成，并且还具有能够按需粘附和分离的皮肤界面水凝胶电极。在小鼠模型上，作者证明了这一伤口护理系统可以连续监测皮肤阻抗和温度，并根据伤口环境提供电刺激。在临床前伤口模型中，与对照组相比，治疗组愈合速度快了约25%，真皮重塑增强了约50%。此外，作者还观察到单核细胞和巨噬细胞群体中促再生基因的激活，有助于促进组织再生、新生血管形成和皮肤恢复。 https://www.nature.com/articles/s41587-022-01528-39. Sci. Adv.：可实时监测肿瘤消退情况的柔性电子应变传感器评估癌症疗法的疗效是开发新型治疗手段的关键步骤。然而，低分辨率测量工具和小样本量使得在体内测定药物疗效成为一项困难且耗时的任务。在这里，作者提出了一种可商业化开发的可穿戴式电子应变传感器，该传感器通过在分钟时间尺度上连续监测皮下植入肿瘤的微米级进展或消退，自动进行癌症治疗的体内评价。在体内癌症小鼠模型中，该传感器在开始治疗后5小时内可识别出药物治疗和载体治疗肿瘤之间的肿瘤体积动力学差异。这些短期消退测量的准确性已通过组织学进行了验证，而在一周的治疗期间进行的卡尺和生物发光测量也显示了此类传感器与长期治疗反应的相关性。 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn655010. JACS：分子设计影响半导体聚合物的降解寿命瞬态电子器件由于其在环境和人类健康方面的潜在应用而成为一个迅速发展的领域。最近，一些研究将酸不稳定的亚胺键结合到聚合物半导体中以赋予瞬态性质；然而，对这些聚合物的结构-降解性能关系的理解还十分有限。在这项研究中，作者系统地设计和表征了一系列具有工程化侧链的完全可降解的二酮吡咯并吡咯基聚合物，以研究几种分子设计参数对这些聚合物降解寿命的影响。通过紫外-可见光谱监测降解动力学，作者发现聚合物在溶液中的降解取决于分支点和分子量，并且通过减少聚集可促进加速降解速率。此外，增加聚合物的亲水性促进水扩散，从而促进亚胺键沿聚合物主链的酸水解。这些聚合物的聚集性质和降解寿命在很大程度上依赖于溶剂，例如，研究显示氯苯中的聚合物降解时间是氯仿中的六倍。因此，作者开发了一种用于量化薄膜中聚合物降解的新方法，并发现了用于设计高性能半导体的关键因素（例如，链间顺序、晶粒大小和亲水性）会影响亚胺基聚合物半导体的降解。这项研究为可降解半导体聚合物的分子设计提供了至关重要的原则，有望加快向具有可控寿命的瞬态电子技术的发展。 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c12845花状聚丙烯腈（PAN）颗粒在传感器、催化和能量存储等众多应用中表现出了良好的性能。然而，尚未有研究聚焦聚合过程中这些独特结构的详细形成过程。对此，作者通过一系列原位和非原位实验阐明了花状PAN颗粒的形成过程。研究发现：首先，花状颗粒内的片状花瓣主要是正交晶系PAN晶体。第二，颗粒形成过程中薄片的分支是由于PAN在预先存在的PAN晶体上的快速成核和生长引起的，而这一过程则由PAN在反应溶剂中的溶解度差所驱动的。第三，由于强烈的静电排斥的存在，颗粒形成可在反应期间保持恒定的中心距，从而导致最终颗粒呈球形且尺寸均匀。最后，研究利用对形成机理的理解，使用几个实验参数来调整PAN颗粒的形态，包括加入共聚单体、改变温度、添加成核种子和调整单体浓度。这些发现为先进纳米结构PAN基材料和受控聚合物纳米结构自组装的自下而上设计提供了重要见解。 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07032