H指数180,可穿戴器件大佬John A. Rogers教授课题组2020年代表性成果集锦
NanoLabs 2021-02-22
奇物论联合纳米人编辑部对2020年国内外重要科研团队的代表性成果进行了梳理,今天,我们要介绍的美国国家科学院、美国国家工程院、美国艺术与科学学院三院院士、美国西北大学John A. Rogers教授课题组。


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John A. Rogers院士的研究兴趣包括纳米/分子级制造基础和应用,以及用于特殊电子和光子器件的材料和图案化技术,重点是生物集成和仿生系统。截止目前,John A. Rogers院士发表论文750篇以上,获批或申请中的专利超过100项;Google Scholar被引次数超过131497次,H指数180。

具体的课题方向包括:
1. 生物集成微系统(电子、光电、微流控、微机电);
2. 特殊构造的电子器件(大面积、柔性、可拉伸);
3. 光流控、液晶、表面等离子体光子学、超材料、光子晶体;
4. 特殊纳米制造技术;
5. 光伏、固态照明、信息显示;
6. 微结构声学和皮秒超声学。
 
课题组网站显示,2020年,John A. Rogers院士发表约50篇论文,包括1篇Cell,8篇Nature子刊,7篇Science子刊,3篇PNAS。以下,奇物论编辑部总结了John A. Rogers院士团队2020年的部分代表性研究成果,供大家交流学习。

以下篇幅分为3个方面展开:
Part Ⅰ 可穿戴生物集成系统
Part Ⅱ 植入式生物集成系统
Part Ⅲ 特殊材料制造技术/特殊结构电子器件

一、可穿戴生物集成系统

1. Nature Materials:柔性生物电子系统材料作为长期神经界面
可以用作长期稳定,高性能的电子记录和刺激接口的大脑和神经系统其他部分的工程系统,具有跨宏观区域的细胞水平分辨率,是神经科学和生物医学界广泛关注的问题。用于这些目的的生物相容性材料的开发和柔性植入物的设计仍然面临挑战,最终目标是达到接近常规基于晶圆技术的性能属性以及达到人类寿命的工作时间规模。美国西北大学John A. Rogers院士等人综述了作为长期神经界面的柔性生物电子系统材料相关内容。
 
本文要点:
1)这篇综述总结了该领域的最新进展,重点是主动和被动组成材料,设计体系结构和集成方法,支持必要水平的生物相容性,电子功能,生物流体的长期稳定操作和体内使用的可靠性。
2)对生物电子系统进行了综述,该系统能够以高时空分辨率在大面积上进行多重电生理绘图,特别关注那些在活体动物模型中证明具有长期稳定性和在人脑尺度上可扩展到数千个通道的系统。材料科学的研究将继续为该研究领域的发展提供支持。
 
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Song, E., et al. Materials for flexible bioelectronic systems as chronic neural interfaces. Nat. Mater. 19, 590–603 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0679-7

2. Nature Medicine:ICU中的无线监护即将到来
美国西北大学John A. Rogers、Jong Yoon Lee和芝加哥安&罗伯特·卢瑞儿童医院Debra E.Weese-Mayer等人在先前的基础上进行改进,绕过了之前的缺点并提供了额外的能力,如,电池和无线功率采集方案的改进,它不仅提供了与现有心率、呼吸率、温度和血氧合临床标准相等的测量,而且还提供了一系列重要的附加特征,包括:跟踪运动和身体定位,量化皮肤对皮肤护理的生理益处,捕捉心脏活动的声学特征,记录与哭泣的音调和时间特征相关的发声生物标记物,监测收缩压的可靠替代物。成果发表在Nature Medicine上,并被选为封面。

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Chung, H.U., et al. Skin-interfaced biosensors for advanced wireless physiological monitoring inneonatal and pediatric intensive-care units. Nat Med 26, 418–429 (2020).  
https://doi.org/10.1038/s41591-020-0792-9

3. Science Translational Medicine:无线传感器可在下肢假体的皮肤界面进行连续的多模式测量
截肢患者的假肢窝和残肢之间的配合不当会导致不适、压疮和承重能力改变。John A. Rogers等人介绍一种采用柔软的三维设计的毫米级压力传感器,该传感器集成到带有内置温度传感器的薄型、灵活、无电池的无线平台中,可以直接在无创、不易察觉的方式下进行操作皮肤假体界面。

这些柔性传感器分别在非截肢患者和两名经胫骨和经股截肢患者的行走、坐姿和站立过程中与便携式电子设备进行无线通信。结果证明了可以使用无线传感器监测皮肤假体界面。

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Jean Won Kwak, et al., Wireless sensors for continuous, multimodal measurements at the skin interface with lower limb prostheses. Science Translational Medicine 2020.
DOI: 10.1126/scitranslmed.abc4327

4. Science Advances:可靠、低成本、完全集成的水合传感器,可在任何环境下监测和诊断炎症性皮肤病
当前的皮肤病诊断工具昂贵、费时,需要大量的专业操作知识,并且通常仅探测皮肤的表层(约15μm)。在此,美国西北大学John A. Rogers、Shuai Xu、黄永刚等人推出了一种柔软、无电池、无创、可重复使用的皮肤水合传感器(SHS),该传感器可粘附在大部分身体表面上。
 
本文要点:
1)该平台可测量体积水含量(深度约1毫米),并将数据无线传输到任何近场通信兼容的智能手机。
2)SHS易于制造,具有独特的供电和封装策略,并能实现很高的测量精度(±5%体积水含量)和分辨率(±0.015℃皮肤表面温度)。
3)对n = 16位健康/正常人类参与者的验证显示,多个身体部位的平均皮肤水分含量约为63%。对特应性皮炎(AD)、银屑病、荨麻疹、皮肤干燥症和酒渣鼻患者的初步研究突出了SHS的诊断能力(PAD = 0.0034),以及研究局部治疗对皮肤疾病影响的能力。
 
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Surabhi R. Madhvapathy, et al. Reliable, low-cost, fully integrated hydration sensors for monitoring and diagnosis of inflammatory skin diseases in any environment, Science Advances, 2020.
DOI: 10.1126/sciadv.abd7146
https://advances.sciencemag.org/content/6/49/eabd7146

5. Science Advances:无线皮肤传感器,用于压缩疗法
压缩疗法是广泛用于治疗下肢疾病的标准,包括静脉和淋巴功能不全,淋巴水肿,静脉淤积性皮炎,静脉曲张和深静脉血栓形成。治疗性压缩服装(TCG)是治疗各种下肢血管疾病的关键工具。正确使用TCG涉及在下肢上施加最小且一致的压力,并持续较长的时间。织物特性和薄纸机械性能的轻微变化导致需要频繁测量和相应调整施加的压力。在这种情况下,现有的传感器在实际应用中还不够小、薄或灵活,而且它们还需要笨重的硬接线接口来进行数据采集。
 
本文要点:
于此,美国西北大学John A. Rogers、Shuai Xu等人介绍了一种灵活的无线监视系统,用于跟踪皮肤和TCG之间的界面处的温度和压力。他们对这些设备的材料和工程方面的详细研究,以及对一系列不同病理类型患者的临床试验,为技术基础和测量能力奠定了基础。(其中黄永刚为作者之一)
 
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Yoonseok Park, et al., Wireless, skin-interfaced sensors for compression therapy. Science Advances 2020.
DOI: 10.1126/sciadv.abe1655
https://advances.sciencemag.org/content/6/49/eabe1655

6. Science Advances:皮肤接口微流控系统,个性化出汗率和汗液氯化物分析,用于体育科学应用
无创、原位监测出汗率和汗液电解质流失的高级功能可以实现实时个性化的液体电解质摄入建议。使用吸收剂贴片建立的汗液分析技术需要收集汗液后进行采集和台式汗液分析,因此对于移动使用不切实际。于此,John A. Rogers等人介绍了一种可与皮肤连接的可穿戴微流体设备和智能手机图像处理平台,该平台能够分析区域出汗率和汗液氯化物浓度([Cl-])。

系统研究(n = 312名运动员)建立了在受控环境中以及在不同环境条件下的竞技运动中,区域出汗率与汗水[Cl-]的显着相关性。区域出汗率和汗液[Cl-]结果用作智能手机软件应用程序上实现的算法的输入,该算法可预测全身出汗率和汗液[Cl-]。这种低成本的可穿戴传感方法可以提高体育科学家、从业者和运动员对生理学见解的可获得性,从而在现实世界的流动环境中为补水活动提供信息。

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Lindsay B. Baker, et al., Skin-interfaced microfluidic system with personalized sweating rate and sweat chloride analytics for sports science applications. Science Advances 2020.
DOI: 10.1126/sciadv.abe3929

7. AFM: 皮肤集成的虚拟触觉接口,可实现虚拟和增强现实
触觉技术涉及使用电或机械手段刺激皮肤中的传入神经或机械感受器,作为产生物理触摸感觉的基础,这种触觉可以定性地扩展虚拟或增强现实体验,而不仅仅是视觉和听觉线索支持的体验。这一领域的一个新兴方向是开发平台,该平台利用薄薄的、类似皮肤的技术,为用户带来可以忽略不计的身体负担,不仅可以通过指尖为皮肤提供时空感觉模式,还可以为身体的任何和所有区域提供感觉。
 
综述要点
美国西北大学John A. Rogers等人在本综述重点介绍了这种皮肤界面的生物学基础,以及在这一宏伟目标背景下触觉的最新进展,包括支持触觉感知的电激活和振动旋转设备,这些设备具有潜在的皮肤整合界面的潜力。内容包括将这些刺激器集成到可编程阵列中的方案的讨论,重点是可伸展的材料和设计,这些材料和设计有可能支持皮肤大面积的软界面。最后一节总结了这一领域成功研究的潜在结果,以及材料科学与工程领域的关键多学科挑战和相关研究机会。
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Jung, Y. H., et al., Skin‐Integrated Vibrohaptic Interfaces for Virtual and Augmented Reality. Adv. Funct. Mater. 2020, 2008805.
https://doi.org/10.1002/adfm.202008805

8. PNAS:一种用于儿科脑血流动力学监测的无线皮肤接口生物传感器
持续监测脑血流动力学对于维护小儿患者的健康神经发育至关重要。西北大学John A. Rogers介绍了一种柔性、灵活、小型化的无线系统,用于实时、连续地监测全身和脑部血流动力学。对年龄在0.2到15岁之间且种族背景不同的小儿科目的临床研究证实了在手术医院环境中实际使用的机会。该平台可以显着提高儿科患者的护理质量,尤其是在发达和发展中国家环境中都有患脑和神经发育障碍风险的儿童。

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A.Y. Rwei, et al., A Wireless, Skin-interfaced Biosensor for Cerebral Hemodynamic Monitoring in Pediatric Care, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 117(50), 31674-31684 (2020).
https://doi.org/10.1073/pnas.2019786117

二、植入式生物集成系统

9. Cell:神经调节的新兴方法和植入技术
神经调节技术是治疗具有多种挑战性疾病的有效途径。这一医学领域的持续进展将需要:(1)提高我们对神经控制器官功能机制的理解;(2)以可编程方式精确调节这些功能的技术进步。

美国西北大学John A. Rogers院士等人综述了与这两个目标相关的设备的最新研究,重点是多模式操作、小型化尺寸、生物相容性设计、先进的神经接口方案以及无电池无线功能。用这种系统记录和调节神经活动的未来,包括那些利用闭环策略和或生物可吸收设计的系统,似乎越来越近在咫尺。

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S.M. Won, E. Song, J. Reeder and J.A. Rogers, Emerging Modalities and Implantable Devices for Neuromodulation, Cell 181, 115-135 (2020).

10. Nature Neuroscience:具有广泛神经科学研究潜力的神经技术进展
解密人类思维的基本机制和过程的兴趣代表了现代神经科学研究的主要动力。支持该目标的活动依赖于能够询问和刺激神经通路的先进方法和工程系统,这些通路从小型网络中的单个细胞到跨越整个大脑的互连。最近的研究为广泛的创新神经技术奠定了基础,这些技术可在这种情况下实现独特的操作模式。John A. Rogers等人这篇综述中着重于那些在动物模型研究中已被证明具有实用性并且技术成熟水平的系统,这些系统暗示了在相对不久的将来广泛部署到神经科学界的潜力。

简要介绍了现有和新兴的神经科学技术,以此作为对设备技术的主要关注的背景,这些设备技术可解决电、光和微流体神经接口中的相关机遇,其中一些具有多模态功能。在最近的神经科学研究中使用这些技术的示例说明了它们的实用价值。与这些平台相关的工程科学的活力、该研究领域的跨学科性质以及其与神经系统疾病治疗中的重大挑战相关,从而促使该领域的持续发展。

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Vázquez-Guardado, A., Yang, Y., Bandodkar, A.J. et al. Recent advances in neurotechnologies with broad potential for neuroscience research. Nat Neurosci 23, 1522–1536 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41593-020-00739-8

11. Nature Biomed Eng:导管集成柔性多层电子阵列在心脏手术中的多重传感和驱动
西北大学John A. Rogers院士、黄永刚院士和乔治华盛顿大学Igor R. Efimov等人开发了一种新型的导管,可将电极传感器和执行器以及温度和压力传感器的可伸缩和柔性矩阵应用于球囊导管系统,通常用于微创手术或消融治疗,如心律失常。这使得该导管可以与软组织相吻合,并且减少手术时间,同时执行多种监测功能

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Han, M., et al. Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays formultiplexed sensing and actuation during cardiac surgery. Nat Biomed Eng(2020).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-00604-w

三、特殊材料制造技术/特殊结构电子器件

12. Nature Electronics:汗液激活的生物相容性电池用于表皮电子和微流体系统

材料、力学和设计方面的最新进展导致了超薄、轻量化的电子设备的发展,这些设备可以与人体皮肤共形连接。除了少数例外,这些设备都依靠电力来支持传感、无线通信和信号调节。不幸的是,这种电源大多由使用危险材料制造的电池组成,这些电池的形状因素通常阻碍了与皮肤或表皮电子设备的结合。于此,John A. Rogers等人报告了一种生物相容的,由汗液激活的电池技术,该技术可以嵌入在柔软的微流体平台内。

该电池可用于包含无线通信和电源管理系统的可拆卸电子模块中,并且能够在皮肤上连续记录生理信号。为了说明该方法的实用性,研究人员通过人体试验证明,汗液激活电池可以运行混合微流控/微电子系统,同时监测心率、汗液氯化物和汗液pH值。

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Bandodkar, A.J., et al. Sweat-activated biocompatible batteries for epidermal electronic and microfluidic systems. Nat Electron 3, 554–562 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41928-020-0443-7

13. AM:使用石墨烯铰链组装可折叠3D微结构
受折纸/kirigami(剪纸艺术)启发的3D组装方法最近在各种应用中引起了关注,例如先进的光电设备和生物医学传感器。韩国延世大学Jong‐Hyun Ahn和美国西北大学John A. Rogers、黄永刚等人报道的结果描述了一种构造多个可折叠3D微结构的方法,这些结构涉及典型的导电材料(例如常规金属膜)无法承受的变形。
 
本文要点:
1)原子级薄的石墨烯片通过确定的屈曲过程在2D到3D转换过程中充当折叠铰链。
2)石墨烯的出色机械性能可将在预拉伸弹性体上选择性位置处键合的2D前体以可逆方式进行受控的几何转换,使其转变为折叠的3D微结构,而不会对电性能造成不利影响。对此类3D物体的折叠机制的实验和计算研究揭示了潜在的物理特性以及该过程对限定铰链的石墨烯/支撑膜的厚度的依赖性。
 
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Lim, S., et al., Assembly of Foldable 3D Microstructures Using Graphene Hinges. Adv. Mater. 2020, 2001303.
https://doi.org/10.1002/adma.202001303

14. AM:机械引导装配形成的3D表面的逆设计策略
确定性地将材料的2D模式转换为受控的3D介观结构,是制造方法的基础,可以绕开常规3D微型/纳米加工的局限性。在这种情况下,引导机械屈曲过程提供了高性能材料中丰富的复杂三维细观结构,从无机和有机半导体、金属和电介质,到陶瓷,甚至二维材料(如石墨烯、MoS2)。先前的研究表明,迭代计算过程可以为某些目标3D配置定义设计参数,但无法处理复杂形状。技术上的需求是高效、通用的逆设计算法,该算法可直接产生优化参数集。

于此,清华大学Yihui Zhang、美国西北大学John A. Rogers、黄永刚等人介绍了这样的方案,其中在分离的或相互连接的碳带阵列上的厚度分布提供了到具有广泛目标形状的3D表面的可缩放路线。具体而言,将所需形状离散为2D带状组件,可以近似地对中心对称甚至是一般表面的逆设计进行解析解。对≈20种不同的3D结构进行理论,数值和实验的组合研究,其特征尺寸(例如,色带宽度)的范围从≈200µm至≈2cm,几何结构类似于半球、火气球、花朵、凹透镜、鞍面、水滴和啮齿动物,说明了基本思想。

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Fan, Z., et al., Inverse Design Strategies for 3D Surfaces Formed by Mechanically Guided Assembly. Adv. Mater. 2020, 32, 1908424.
https://doi.org/10.1002/adma.201908424

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John A. Rogers院士简介

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John A. Rogers 教授于1995年在麻省理工学院(MIT)获得物理化学博士学位,曾在Bell实验室担任凝聚态物理研究部主任。从2003开始,Rogers教授在伊利诺伊大学香槟分校担任材料科学与工程系讲席教授。2016年起,担任美国西北大学材料科学与工程、生物医学工程和医学学科Louis Simpson and Kimberly Querrey讲席教授,并兼任生物集成电子中心创始主任。
 
John A. Rogers 教授是美国国家科学院、美国国家工程院、美国艺术与科学学院三院院士,同时是美国电气和电子工程师协会(IEEE)、美国物理协会(APS)和材料研究协会(MRS)等多个权威科学协会会士。此外,他是复旦大学、浙江大学荣誉教授,瑞士联邦理工学院荣誉博士。他曾获麦克阿瑟天才奖(2009年) 、麻省理工学院的莱梅尔逊奖(2011年)、美国史密森尼物理科学创造力大奖(2013年)、苏黎世联邦理工学院颁发的苏黎世化学工程奖章(2015年)以及美国机械工程师学会颁发的纳戴奖章(2017年)。
 
课题组网站:
http://rogersgroup.northwestern.edu/

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