清华新闻网7月10日电 近年来，皮肤集成电子器件在健康监测、人机交互和个性化医疗等领域展现出广阔的应用前景。随着应用需求从即时检测逐渐拓展至连续、长期佩戴，柔性电子器件不仅需要保持稳定的电学功能，还需兼顾与皮肤表面的柔顺贴合、透湿透气和舒适性。相较于传统的平面柔性电子，三维柔性电子器件可通过复杂空间构型设计在有限皮肤面积内集成更多功能模块，并增强对多类生理信号和复杂形变的感知能力。然而，集成于皮肤的三维结构更容易随皮肤发生拉伸、弯曲、扭转及耦合变形，进而诱发局部应力集中、结构损伤或电学失效，限制其在长期皮肤集成场景中的应用。因此，在三维柔性电子与皮肤之间构建一种兼具三维几何适配、力学缓冲、舒适贴合和多功能拓展能力的新型界面，在长期可穿戴场景中有着重要应用价值。

图1.三维柔性电子器件多功能多孔界面设计策略。A图为三维柔性电子器件与多孔界面的设计概念图；B图为贴附于人体手部皮肤的多孔柔性界面；C图为多孔基体与传统实心基体的关键性能指标比较

近日，航天航空学院（航院）、柔性电子技术国家级重点实验室（柔电国重）张一慧教授课题组提出了一种多功能多孔界面设计策略，实现三维柔性电子器件与皮肤的柔性适配与集成（图1）。该界面采用牺牲模板微粒在三维电子器件周围构筑连续微孔网络，使封装材料能够自适应填充复杂三维结构空间，最终形成与器件构型相匹配的柔性多孔封装界面。与传统实心封装相比，多孔设计不仅能够降低封装层的等效模量，还可将封装约束离散化并提供局部变形空间，从而诱导孔壁局部失稳与结构梁段屈曲，显著降低器件危险区域的应力集中系数，实现大拉伸载荷下的力学高可靠性和电学高稳定性（图2）。

图2.多孔封装约束下的三维带状微结构变形机制。A图为封装层与螺旋带状微结构在拉伸载荷下变形行为；B图展示了等效模量调控与多孔结构设计的二级协同效应，该效应显著增强了三维微结构封装后的弹性可拉伸性

基于对多孔界面孔隙率的分区定制化设计，研究团队研制了一种具有三维架构的仿皮肤多模态传感系统，实现对法向压力、面内拉伸和局部温度的同步解耦测量（图3）。该系统借鉴人体皮肤中不同机械感受器的空间分布特征，将不同传感单元集成在三维微结构的不同高度位置，并通过定制多孔封装孔隙率分布（0% ~ 100%）优化外界载荷在器件内部的传力路径，增强不同传感单元对特定力学载荷的选择性响应，从而显著降低多模态信号串扰。

图3.基于孔隙率定制多孔界面的三维多模态传感系统与创面管理电子贴片。A图为传感系统仿生多层级分布设计与孔隙率定制化封装策略；B图为传感系统对复杂力学载荷的解耦测量；C图为一种新型三维闭环创面管理电子贴片设计原理与动物实验结果

基于该三维多模态传感系统，研究团队研制出一种三维闭环创面管理电子贴片（3D-CURE Patch）。该贴片集成了柔性加热电路、三维多模态传感系统和负载药物的多孔基体，能够监测烫伤创面的肿胀和局部温度升高等信号，并根据创面状态触发药物释放，实现对伤口的即时反馈治疗。在SD大鼠烫伤模型中，器件治疗组在早期创面愈合、炎症抑制和组织再生方面表现出更好的效果，展示了该多孔界面在长期皮肤集成电子和智能创面管理中的应用潜力。

相关研究成果以“多功能多孔界面实现三维电子器件与皮肤柔性融合”（A Multifunctional Porous Interface Bridging 3D Architected Electronics with Skin）为题发表于《科学进展》（Science Advances）。

张一慧教授为论文通讯作者。清华大学航院2019级博士生沈张明和新加坡国立大学博士后程旭（航院2017级博士生）为论文共同第一作者。论文作者还包括清华大学长庚医院博士后罗小斌，航院2023级博士生唐振家、2021级博士生胡笑男、2020级博士生徐世威、2018级博士生刘志，航院博士后肖越、刘卿、张帆，柔电国重副研究员柏韧恒，北京科技大学姚生莲副教授和硕士生张红云。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金、清华大学自主科研计划、科学探索奖等项目的资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef0161

供稿：航院

编辑：杨滨华

审核：王晓霞