柔性电子及其医疗健康应用

柔性电子因兼具优异电学性能与出色柔韧性、可拉伸性，近年来成为研究热点。作为融合电子学、材料科学、力学等多领域的交叉学科，其在医疗健康领域的应用已展现出革命性潜力，相关技术转化成果不断涌现，休曼科技便是其中的代表性企业之一。本文从材料与结构设计角度综述柔性电子的实现方式，结合产业应用案例介绍其在医疗健康领域的核心价值，并对未来发展方向进行展望。

1 引言

柔性电子以柔性基底为载体，集成有机或无机电子材料，其研发可追溯至 20 世纪初的石墨浆料无线电调谐器。导电聚合物的发现及石墨烯、碳纳米管等新型材料的应用，推动了柔性电子领域的快速发展。当前研究重点集中于柔性电子器件集成技术，以及高稳定性、高电导率、低成本柔性半导体材料的研发，其在晶体管、传感器、发光二极管等领域展现出广阔应用前景。

2 柔性电子器件的基本结构

柔性电子器件核心由电子元件、柔性基底、交联导体与密封层四部分组成，各部分通过黏合层连接，黏合剂需满足高强度、高柔韧性与高化学稳定性要求。

2.1 电子元件

承担信息存储与计算功能，有机材料制备的元件可直接集成于柔性基底，但稳定性与电学性能不及硅基晶体管；硅等无机材料元件脆性较高，需通过特殊结构设计实现柔性化。

2.2 柔性基底

是柔性电子与刚性电子的核心区别，需满足绝缘性与低成本要求，主要分为聚合物基底（如 PET、PDMS、PI）与不锈钢箔基底两类。其优势包括力学耐受性强、轻薄便携、与卷对卷工艺兼容具备量产潜力；不足则是表面粗糙度较高、化学稳定性有限，易影响器件性能。

2.3 交联导体

在电路中负责连接各 “器件岛”，金属导体应用最广泛，其中铜箔因成本低、导电性好、延展性优异成为首选，压延铜箔的性能优于电解铜箔。

铜箔的主要性能

2.4 密封层

核心作用是保护器件免受外界损害，常用材料有丙烯酸树脂、环氧树脂与 PI。不同应用场景对密封层要求差异显著：OLED 等器件需极低水氧透过率，而可穿戴器件需较高透气性以匹配皮肤需求，通常采用薄膜封装技术满足柔韧性要求。

3 柔性电子的实现方式

柔性电子的实现主要依赖柔性材料应用与特殊结构设计，二者结合可兼顾器件柔韧性与电学性能。

3.1 柔性材料

器件的导体、半导体、介电层及基底材料均需具备足够柔性。

3.1.1 柔性基底

以聚合物材料为主，PI 可承受 450°C 高温，部分场景（如植入式器件）还要求基底具备良好生物相容性，基底厚度越薄通常柔韧性越强。

3.1.2 柔性导体

包括银纳米线、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物与液态金属等。金属导体可通过分形结构提升柔韧性，石墨烯因优异性能广泛应用于电极材料，液态金属可通过软光刻技术制备传感元件。

3.1.3 柔性半导体

分为无机、有机与金属氧化物三类。无机半导体压电性能优异，有机半导体具备本征柔韧性，可通过无机纳米材料改性提升电学性能，金属氧化物半导体载流子迁移率高但加工复杂。

3.1.4 柔性介电层

有机介电材料加工简便、柔韧性好，常见的有 SEBS、P (VDF-TrFE) 与 PMMA。介电层的表面粗糙度与介电常数直接影响器件性能，可通过添加助剂优化性能，天然生物材料因生物相容性优势成为潜在选择。

以卵白蛋白为介电层的场效应晶体管（FET）的电学性能（Chang 等，2011）。

3.2 柔性电子加工技术

加工方法主要分为材料直接制备与结构设计优化两类。

3.2.1 基于材料角度的加工方法

利用本征柔性材料可直接制备器件，如网格状压力传感器、双层结构有机薄膜晶体管等。无机材料可制成导电油墨，通过喷墨印刷、电喷印、气溶胶喷射印刷等非接触式印刷技术制备器件，或通过转移印刷技术转移至柔性基底。转移印刷需经专用硅片制备、功能元件加工、牺牲层去除、柔性基底转移四步完成。

传感器结构示意图（采用两层压合工艺制备：第一层包含底部源漏电极与半导体聚合物，第二层包含栅电极与微结构化介电层；半导体表面的超薄 PDMS 层可保证均匀的介电界面，并在层压过程中起到保护作用（Schwartz 等，2013）。）

3.2.2 基于结构设计角度的加工方法

通过特殊结构设计可使无机半导体具备柔性，典型结构包括：

• 褶皱纳米带结构：利用薄无机材料的可拉伸性，通过预拉伸 PDMS 制备正弦波状或人字形褶皱，可将材料可拉伸性提升至 30%；

（A）PDMS 基底上褶皱单晶硅纳米带的制备流程示意图；（B）、（C）可拉伸纳米带与可拉伸纳米膜的扫描电子显微镜（SEM）图像（Song 等，2009）。

（A）带有周期性激活与非激活图案的预拉伸 PDMS；（B）与预拉伸方向平行的薄膜附着于图案化 PDMS 基底；（C）释放 PDMS 预拉伸后，纳米带形成褶皱；（D）通过（A）-（C）步骤制备的 GaAs 纳米带褶皱结构 SEM 图像；（E）不同预拉伸量下，图案化 PDMS 基底上 GaAs 薄膜的褶皱轮廓（红线：计算结果；蓝线：实验数据）（Song 等，2009）。

• 岛 – 互连结构：电子元件位于 “岛” 区域几乎不形变，互连导体通过弯曲适配外力，可拓展至曲面应用，但长互连距离限制了高阵列密度应用；

弹性体基底上岛 – 互连网格结构电子器件的制备流程示意图（Song 等，2009）。

采用网格布局（即 “岛” 阵列通过窄条互连）的硅膜电路与弹性转移元件，将电子器件包覆于复杂曲面（如高尔夫球的凹陷表面）的流程示意图（Ko 等，2009）。

PDMS 块体形变的光学显微镜图像与有限元分析（FEA）结果，以及可拉伸 GaAs 光伏组件的制备流程示意图与成品 SEM 图像。（A）松弛状态、（B）拉伸状态下带有凸起 “岛” 阵列（由凹陷沟槽分隔）的 PDMS 块体的横截面光学显微镜图像（上）与有限元分析结果（下），该结构被设计为（C）高面积覆盖率可拉伸无机光伏器件的基底；（D）释放预拉伸后，用平板玻璃按压整个阵列，使互连导线向下弯曲至 PDMS 基底的沟槽区域；（E）最后在顶部键合一层均匀的超薄 PDMS 作为封装层，实现环境防护；（F）、（G）成品组件的 SEM 图像（Lee 等，2011）。

• 蛇形互连结构：非共面设计可突破预拉伸限制，预拉伸 35% 的系统可拉伸至 70%，结合褶皱结构可实现 280% 超拉伸，且形变可逆性良好；

（A）带有非共面蛇形桥的可拉伸 CMOS 反相器阵列 SEM 图像（左）与放大图（右）；（B）X 轴、Y 轴方向拉伸测试的光学图像；（C）拉伸前（35% 预拉伸）与拉伸后（70% 施加应变）的有限元模拟结果（Kim 等，2008）。

（A）提升蛇形互连结构拉伸性的预拉伸策略示意图；（B）释放基底预拉伸前蛇形结构的 SEM 图像；（C）释放基底预拉伸后蛇形互连结构的 SEM 图像（Zhang 等，2014）。

• 其他结构：分形结构可提升面积覆盖率，柔性基底直接图形化可简化制备流程，实现活性区域应变隔离。

4 柔性电子的应用

柔性电子在医疗健康领域应用广泛，已开发出柔性储能器件、集成传感器、电子皮肤等多种产品，其中电子皮肤技术的产业转化最为突出，休曼科技便是该领域的领军企业之一。

4.1 柔性超级电容器

作为柔性电子的核心供能材料，具备充电快、寿命长的特点，可制成纤维状结构集成于可穿戴设备。此外，其释放的瞬时电流可用于信息安全领域，快速损毁机密元件。

4.2 集成柔性传感器

可检测微弱生理信号，应用于多场景健康监测。血糖检测贴片通过电化学双通道诱导葡萄糖渗透并检测，与血糖仪结果一致性良好；柔性温度传感器可实时监测关节体温变化，判断炎症发生；蛇形互连结构的球囊导管系统可微创采集心脏电位；丝蛋白基底的柔性电极可贴合脑组织采集脑信号，为脑部疾病治疗提供新方案。

（A）电化学双通道（ETCs）示意图；（B）附着于皮肤表面的纸电池；（C）类皮肤生物传感器多层结构示意图；（D）完全贴合皮肤表面的生物传感器；（E）1 天内每小时血糖仪（红线）与类皮肤生物传感器（蓝线）的血糖监测结果（Chen 等，2017）。

4.3 柔性电子皮肤

模拟人体皮肤传感功能，集成多种传感器的电子皮肤可检测温度、压力等信号，在柔性穿戴、医疗监测、智能机器人及医学教育领域展现出广阔前景。休曼科技便以具身智能技术赋能沉浸式模拟医学教育为宗旨，专注于该技术在医学培训领域的应用转化，聚焦新一代3D打印人工智能医学培训解决方案。

依托电子皮肤3D打印仿生制造平台，休曼科技联合西安交通大学，借助”十三五”国家重点研发计划支持，聚焦”3D打印复杂功能化医疗模型”的新产品研发与医学应用，结合人工智能算法和电子皮肤3D打印技术，大幅提升了医学培训模型的结构仿真度、功能仿真度和智能仿真度，为各级医疗机构附属临床技能培训中心提供了更接近临床真实体验的医学模型、教学设备和教学软件。

在实际应用中，休曼科技的电子皮肤模拟器件已实现多种功能：集成压力传感器、温度传感器与电信号探测器的电子皮肤模型，可用于新生儿重症监护模拟训练；针对截肢患者康复训练的电子皮肤系统，能模拟假肢与皮肤界面的温度、压力变化，帮助医护人员优化康复方案；在外科手术培训中，其高仿真电子皮肤模型可让学员感知手术操作中的压力反馈，提升培训效果。

电子皮肤长期使用需兼顾生物相容性，休曼科技的产品通过优化材料配方，在力学上避免皮肤不适感，物理层面具备适宜透气性，化学层面可防止皮肤过敏，满足医学培训中的长期使用需求。同时，其开发的人工触觉神经技术，还为高灵敏度手术机器人的研发提供了技术参考，推动了医疗智能化发展。

（A）物理性能与表皮匹配的多功能电子器件；（B）用于新生儿重症监护的无线多功能表皮电子系统（Chung 等，2019）。

5 总结与展望

本文综述了柔性电子器件的制备材料与加工工艺。有机材料因本征柔韧性与加工优势广泛应用，无机材料则通过结构设计实现柔性化，过去十年间无机电子的可拉伸性已从30%提升至300%。

在医疗健康领域，柔性电子技术已展现出巨大应用价值，休曼科技等企业的实践的表明，电子皮肤等柔性电子技术不仅能推动临床医疗的精准化发展，更能通过高仿真模拟训练设备，提升医学教育质量与医护人员实操能力。

未来研究应聚焦于开发兼具优异电学性能与高稳定性的韧性复合材料，以及配套加工方法。柔性电子将进一步提升医疗保健水平，生物集成柔性传感器与电子皮肤可实现生理信号实时监测，结合通信设备与药物递送装置可实现智能化给药治疗。尽管多数柔性电子器件仍处于研发或初步应用阶段，但随着休曼科技等企业的技术转化推进与市场需求增长，柔性电子器件将加速从实验室走向产业化，为医疗健康领域带来革命性变化，尤其在医学教育、精准诊断、康复治疗等细分领域，有望实现突破性发展。