以无机半导体电子器件为代表的先进人造系统，承载了人类的信息化时代。不过，它们平面二维的几何构形和坚硬的力学性质，却导致其无法与三维且柔软的生物组织完美结合。这种几何和力学上的巨大鸿沟，给生物集成微系统的发展带来极大阻碍。然而，这个世界性难题的背后，却存在着能够革新人类医疗保健领域的广阔应用前景。美国加利福尼亚大学圣迭戈分校助理教授栾海文，致力于生物集成微系统研究。他专注研发新一代用于生物集成的多功能器件，探索如何把功能复杂的人造系统和生物体紧密交互，以将更加可靠便捷的数字化生物医疗技术带给普通大众，从而推动医疗革新和生命科学研究。围绕该方向，他发展了一套以固体力学理论为指导的结构设计、分析模拟和制备方法，用于设计和制备高性能生物集成器件。这主要包含三个层次：用于个人层次的可穿戴柔性电子器件；用于细胞和组织层次的三维智能多功能生物集成界面；以及用于材料和结构层次的可重编程的力学超材料系统。凭借将智能电子和微流体技术融入生命系统，创建了用于应对医疗挑战的多功能生物集成微尺度系统，从药物筛查、疗法探索、人造器官培养等多个维度推动生物医学研究，栾海文成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。如上所说，此前，要想让二维电子器件与三维柔软的生物组织完美结合，以实现对后者进行电生理监测的目的，是一件非常困难的事情。具有开放网络的三维微结构在生物界中随处可见。因此，栾海文与合作者希望通过设计和制备一些三维微尺度电子器件，来更好地与生物组织进行结合。“我们曾经想到采用 3D 打印技术，但目前用它很难制备高性能的电子器件。栾海文表示。经过多方调查和研究，他们提出一个设想：通过将材料做薄和施加挤压的手段，能否将高性能二维电子器件重构成三维结构？在他们看来，虽然用于制备半导体电子器件的硅材料本身又硬又脆，但如果它足够薄，就会变得非常柔软和容易变形，且在弯曲过程中也不容易发生断裂。然而，脆性材料即便很薄还是不能承受拉伸或扭转。此前设计无机可延展电子的其中一个思路是，把薄膜材料预压缩成波浪状，通过压缩屈曲的几何形状赋予脆性材料可拉伸的力学性能。该压缩屈曲的方法可以诱导二维结构变形成三维，启发了三维微结构的设计与制备。“也就是说，在二维结构的局部引入相应的挤压力，诱使它产生压缩屈曲，这样就能可控地将其从二维结构变成三维结构，也就能够制备出三维柔性的高性能电子器件。”栾海文解释道。而这，也正是三维微尺度结构组装技术的核心 [1-3]。栾海文指出：“该技术具有很强的通用性，不仅能用于各种无机材料和有机材料，材料自身可软可硬，还适用于纳米、微米、厘米、分米等各种尺度。”值得关注的是，力学分析与结构设计在该过程中发挥关键作用。首先，可以把本身很硬的材料改造成柔软且可拉伸的器件系统。其次，能够指导从二维到三维的可控压缩屈曲变形。力学分析可以准确预测最终的三维形状。再次，可以指导可重构超材料实现对不同形状的精确切换。不过，在发展这项技术时，该课题组也遇到了不少挑战。这是因为，从二维到三维的结构变形，会受到二维结构的限制，导致无法形成某些三维结构。所以，基于该技术构建尽可能多的几何结构，是栾海文在读博期间的一项主要工作。第二，在将该技术用于电子器件的同时，是否还能将其扩展到其他领域，比如三维微流体网络的设计和制备。第三，如何才能给基于该技术制备出的三维电子器件，找到一个比较独特的生物集成应用场景。在这方面，栾海文与合作者开发了一款三维柔性多功能神经接口，可实现对人脑皮质类器官的轻柔包裹 [4,5]。他们主要通过力学设计的方法，设计出能够与人脑皮质类器官形状进行匹配的复杂三维结构，然后用它来带动包括感知和刺激等功能在内的电子器件，轻柔附着到人脑皮质类器官的表面，以达到对后者全方位的电生理监测。值得注意的是，微电极等器件的空间位置分布可由力学分析来精准预测。据了解，该神经接口首次实现在整个人脑类器官表面观测神经活动，可以为研究、理解并治疗神经疾病和神经创伤提供所需平台，从而为大脑修复带来更好的方案。同时，还可以通过该三维神经接口把两个不同的人脑类器官结合在一起，以研究大脑不同脑区之间的功能和联系。实际上，在三维生物界面中，除了有用于感测和调节生物行为的电子元件，还需要一种可以供养更大更复杂的生物组织的“生命线”，以运输养料和排除废物。因此，基于力学分析与结构设计的指导，也开发了一种复杂三维微流体网络组装方法 [6]。栾海文指出，该方法是创建集运输与感测/执行为一体的智能三维微血管系统的重要可行方法，与此前 3D 打印、激光烧蚀等技术相比，至少具备如下优势：其一，可以同步实现局部高精度尺寸（比如流道为 2 微米宽）和整体大尺寸。其三，可以集成高性能电子器件进行复杂的感知与调控。“凭借这三点优势，该方法得以拥有比较广阔的应用空间。除了能在生化分析、药物输送等领域实现重要应用，还适合制备复杂的人造血管网络。”栾海文表示。专注生物集成器件开发，致力推动医疗革新和生命科学研究栾海文出生于山东烟台，父母分别是电气电子工程和机械工程专业的大学老师。父母的职业给栾海文的成长带来了潜移默化的影响，帮助他从很小就培养起一些良好的学习习惯。比如，对新事物有强烈的好奇心、喜欢积极提问，遇到新想法和新知识时会及时记录在笔记中等。中学阶段，栾海文对建筑学产生了浓厚兴趣，而 2008 年汶川地震的发生，让他认识到土木工程专业的重要性。于是，2009 年高考结束后，他选择报考同济大学的土木工程专业并被顺利录取。2013 年本科毕业后，他远赴美国西北大学，并在该校度过了硕士、博士和博士后三个科研上的重要时期。硕士阶段，他继续学习土木工程专业，师从美国三院院士黄永刚教授，潜心在力学分析与结构设计方向深造，希望将来能为人民群众构建坚固可靠的居所。在黄教授的指导下，他渐渐发现力学分析与结构设计可以在微纳米电子器件加工领域，尤其是可延展电子器件上，发挥无可替代的重要作用，而这两项技能恰好是他本科学习时的专长。因此，他主攻微尺度可延展电子器件力学特性的研究。博士阶段，他攻读机械工程专业固体力学方向，研究力学引导三维微尺度结构组装及其在生物集成器件领域的应用，会借助有限元模拟和解析力学模型来探索相关课题。因为这些研究和结构设计联系紧密，所以之前学习土木工程的经历，也给了他很大帮助。“通过力学研究，我研发的一系列三维电子生物界面，能够跨越物理性质上的巨大差异，让电子和生物之间实现更为紧密的交互，从而推进生物医学领域的研究。”栾海文说。他不仅掌握了制备、表征、维护等各方面知识，还善于运用研究生阶段学到的理论和计算技能，这让他成为可以在生物集成微尺度器件领域，独立开展全套研究的科研工作者。另外，值得一提的是，他也曾在罗杰斯院士参与创办的一家创业公司中，做过兼职和技术咨询工作，并参与研发皮肤集成柔性可拉伸的穿戴器件。据了解，此类器件依靠常见的智能手机/平板电脑，即可提供重症监护级别的健康信号监测，例如可以对早产儿进行不间断的健康监测。2024 年 3 月，他入职加利福尼亚大学圣迭戈分校担任助理教授。当下，他计划将已经学到的理论、计算和实验技能融会贯通，进而开展自己的独立科研项目。比如，发展新的力学理论来指导三维微尺度结构组装等基础研究，用以推进下一代三维微电子技术和三维微血管网络的研发，进而更好地为生命科学和医疗事业贡献力量。参考资料：
1.Luan H†, Cheng X†, Wang A, et al. Design and fabrication of heterogeneous, deformable substrates for the mechanically guided 3D assembly. ACS applied materials & interfaces, 2018, 11(3): 3482-3492.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.8b19187
2.Park Y†, Luan H†, Kwon K, et al. Transformable, freestanding 3D mesostructures based on transient materials and mechanical interlocking. Advanced Functional Materials, 2019, 29, 1903181. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201903181
3.Lim S†, Luan H†, Zhao S, et al. Assembly of foldable 3D microstructures using graphene hinges. Advanced Materials, 2020, 32, 2001303. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202001303
4.Park Y†, Franz C K†, Ryu H†, Luan H†, Cotton K Y†, et al. Three-dimensional, multifunctional neural interfaces for cortical spheroids and engineered assembloids.Science advances, 2021, 7(12): eabf9153.https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abf9153
5.Ryu H†, Park Y†, Luan H†, et al. Transparent, compliant 3D mesostructures for precise evaluation of mechanical characteristics of organoids. Advanced Materials, 2021, 33, 2100026. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202100026
6.Luan H, Zhang Q, Liu T L, et al. Complex 3D microfluidic architectures formed by mechanically guided compressive buckling.Science Advances, 2021, 7(43): eabj3686.https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abj3686
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