2017年12月20日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)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(xué)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(shù)建立了新的無創(chuàng)血糖測量醫(yī)學(xué)方法，在人體皮膚表面實現(xiàn)了醫(yī)學(xué)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(xué)-化學(xué)耦合原理的電化學(xué)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(yīng)的電場，通過離子導(dǎo)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(guān)系，驅(qū)使血管中的葡萄糖按照設(shè)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(jìn)行高精度測量。

清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)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(zhǔn)測量，馮雪課題組結(jié)合多年的可延展柔性電子器件研究經(jīng)驗，基于力學(xué)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)了納米級厚度的電子介體電化學(xué)沉積，利用基于液體表面張力和蒸發(fā)毛細(xì)力的仿生液滴轉(zhuǎn)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(fù)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(xué)科交叉領(lǐng)域，里面涉及力學(xué)、材料、化學(xué)、電子以及信息等多個學(xué)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(xué)科的科研工作者溝通，聽懂不同學(xué)科的語言，了解在不同領(lǐng)域的難點與痛點，多思考運用自身學(xué)科可以如何解決這些問題。”

客觀上來看，固體力學(xué)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(xué)很有淵源。力學(xué)分析對無機可延展柔性電子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵制備方法起到了開創(chuàng)性的指導(dǎo)作用。無機電子材料，包括金屬、半導(dǎo)體等對應(yīng)力應(yīng)變非常敏感，如何設(shè)計功能單元、互聯(lián)導(dǎo)線結(jié)構(gòu)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(dāng)其沖的問題。從結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)分析。

當(dāng)然僅僅依靠力學(xué)分析，不能完全解決柔性電子應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的各種問題。要將柔性電子領(lǐng)域向前推動，我們需要醫(yī)學(xué)、信息、材料、化學(xué)、電子等多個學(xué)科的共同努力，醫(yī)學(xué)提供應(yīng)用場景與性能指標(biāo)，材料、化學(xué)提供新型電子材料和新型界面，力學(xué)提出革新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計與可靠性保障，電子提供從微結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)集成的制備方法，信息提供通訊技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘。如此，多學(xué)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(xué)是一門較為基礎(chǔ)的學(xué)科，具有廣泛的工程應(yīng)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(xué)科研究。

針對柔性傳感技術(shù)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(yīng)用的研究，因此基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用研究之間具有密切的聯(lián)系?；A(chǔ)科學(xué)既解決應(yīng)用問題，同時也受其驅(qū)動。應(yīng)用研究既依賴于基礎(chǔ)研究的進(jìn)步也檢驗并真正釋放基礎(chǔ)研究的實際社會效應(yīng)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(chǔ)研究，另一方面也與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域保持密切合作?！?/p>

關(guān)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(rèn)為從柔性電子整個領(lǐng)域的發(fā)展去考慮，它需要深入的基礎(chǔ)研究來解決技術(shù)上的關(guān)鍵問題，也需要真正解決人類痛點問題的應(yīng)用研究與研究成果轉(zhuǎn)化，并逐步搭建起良好的生態(tài)環(huán)境，將基礎(chǔ)研究、應(yīng)用轉(zhuǎn)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(xué)科交叉的特點，它急需整合各學(xué)科資源；基于它基礎(chǔ)與應(yīng)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(lǐng)域進(jìn)入高速發(fā)展時代。

備注：清華大學(xué)航院、柔性電子技術(shù)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(xué)基金項目的資助。