柔性電子再迎顛覆性突破！臺式無掩膜光刻機助力第六篇《Nature》正刊！

柔性電子再登Nature正刊！

斯坦福大學的鮑哲南院士和James C. Y. Dunn老師

利用臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

創造性地將二維薄膜卷成直徑堪比頭發絲的一維纖維傳感器

【引言】

在科研和臨床應用中，對多模態傳感與刺激的需求正日益增長。人們迫切需要能同時測量壓力、化學信號、電活動的設備，還希望它們柔軟、微小、能長期穩定地工作。然而，現有纖維傳感器存在剛性高、組件布局精度低、功能有限以及活性組件密度低等問題。其根源在于，常規的微納加工技術（比如光刻）并不適用于又細又長的曲面結構。如何在這種又細又長的曲面結構里“裝下”成百上千個功能器件，成了科學家的難題。

近日，斯坦福大學研究團隊通過螺旋神經線（S-NeuroString）有效地解決了這個問題，即采用 “螺旋轉化” 技術，將包含微制造器件的二維薄膜像壽司一樣“卷成”一維柔性纖維，這種方法能夠制造高密度多模態柔性生物電子纖維傳感器，同時可對功能組件的縱向、角度和徑向定位及分布實現精確控制。

這項研究突破性制造出小型、柔軟、多功能的電子纖維傳感器！并在小鼠大腦和豬腸道中均表現出優異性能：可實現長達 4 個月的連續高密度單神經元記錄，同時還在直徑 230 微米的柔性纖維上集成了 1280 個通道，革命性地推動了微創植入式電子設備的發展！該成果以“High-density soft bioelectronic fibres for multimodal sensing and stimulation”為題發表在《Nature》上。

【精彩圖文展示】

a. 示意圖展示了帶有微圖案組件的二維薄膜向一維纖維的轉化過程。該過程首先在二維薄膜上制造組件，然后將其轉化為纖維，最后一步是對纖維進行處理以實現層間緊密結合。

b. 用于制備高密度細型S-NeuroString（如圖c所示）的含微制造器件的二維薄膜照片。

c. 兩段高密度S-NeuroString的照片（直徑分別為250 μm和400 μm），每段均包含150個傳感器（81個壓力傳感器和69個電化學傳感器）。這些纖維分別由3厘米寬、1.5 μm厚或4.5 μm厚的基底制備而成。從二維到一維的轉化顯著提高了單位寬度內的器件密度，即從每30 mm寬度150個組件提升至每0.25 mm寬度150個組件（相當于縮減了120倍）。

d. 尖端直徑為150 μm的S-NeuroString與人類頭發的對比照片（以頭發為參照）。

e. 展示該生物電子纖維柔軟性和靈活性的照片，其可輕松縫合到織物中、打結、在軟明膠上彎曲以及被拉伸。比例尺：1 cm（b、e（打結、彎曲、拉伸）），2 mm（c、d、e（縫合））。

研究人員首先利用臺式無掩膜激光直寫光刻機Microwriter ML3在3 cm寬、1.5 μm厚二維彈性薄膜上利用180 mm2/min的超高加工速度，適用于寬光譜、g 線、h 線及 i 線正性與負性光刻膠的385 nm長壽命半導體光源，穩定的且最小加工分辨率為400 nm的物鏡圖案化加工了150個組件，然后卷成一根柔性電子纖維，從二維到一維的轉化顯著提高了單位寬度內的器件密度，即從每30 mm寬度150個組件提升至每0.25 mm寬度150個組件（相當于縮減了120倍），直徑堪比一根人類頭發絲，并且非常柔軟和靈活，可以輕易縫合到織物中、打結、在軟明膠上彎曲以及被拉伸，創新性做到了把“高密度、多功能、柔軟可彎”的電子元件真正做進了一根細絲里。

小型臺式無掩膜直寫光刻系統- MicroWriter ML3

螺旋神經絲的誕生，不僅在工程領域將 “二維轉化為一維” 的創新構想變為現實，更直觀展現出柔性電子技術在臨床診療與科研探索中的廣闊應用前景。作為一款兼具微小、柔軟、多功能的一維傳感器，它既能深入腦部特定區域，實現對單個神經元的長期動態監測；也可精準植入腸道，同步完成實時生理信號感知與靶向干預操作；此外，其功能邊界還可進一步拓展至光學成像、化學傳感等多模態檢測領域。

從應用潛力來看，這項技術未來有望催生一系列突破性場景：例如為嬰幼兒腸道功能提供實時監護方案，為阿爾茨海默病、帕金森病等神經退行性疾病的機制研究搭建新平臺，甚至為 “腦 - 腸軸” 這一復雜生理網絡的長期動態追蹤提供關鍵工具。不僅如此，依托其獨特的纖維狀形態，螺旋神經絲還能向更多跨界領域延伸 —— 融入智能織物實現生理數據的無感采集，集成至可穿戴設備提升健康監測的精準度，或作為核心組件賦能軟體機器人的柔性操控，為多領域技術升級提供新思路。

不難預見，這根“柔性電子絲”，正以其多元的功能與靈活的應用場景，悄然勾勒出醫療技術與智能科技深度融合的未來圖景。