生物可降解电子元件的优势与挑战
关键的外卖
用于医疗设备的软电子元件减少了额外手术的需要。
软的瞬态电子器件在电子市场上的广泛应用提供了巨大的潜力。
研究继续发现新的可生物降解的化合物和材料的电子设备和电路。
在20世纪60年代中期，一部名为《奇妙之旅》的电影激发了我的想象力。在电影中，拯救一位顶尖科学家的生命取决于一项技术，该技术可以将五个人和一艘潜艇缩小到微生物大小。虽然这种技术还不存在(可能永远也不会存在)，但另一种令人惊叹的、值得拍成科幻电影的技术如今确实存在——可生物降解的电子元件。
可生物降解的电子元件被用于从生物医学工程到农业的各种应用，并在电子市场和其他领域提供了令人兴奋的新机会。
一种生物可降解半导体制造技术由斯坦福大学研究人员开发。
生物可降解电子元件的优点
以下是生物可降解电子元件的一些更有利的特性:
柔软度和柔韧性
通常被称为软电子产品，可生物降解的电子产品可以接触柔软的人体组织，而引起很少或没有刺激。此外，软电子产品具有非常高的柔软度和灵活性，允许设备符合不同的形状。
可控时限
可生物降解的电子产品可以有可控的时间限制。研究表明，用于生物医学目的的软电子设备在预期设备寿命后会以可控的速率溶解、再吸收或消失。因此，这些装置成为有价值的临时医疗植入物，不需要额外的手术来移除。
由于这些独特的特性，生物可降解的电子元件通常用于生物医学设备。
生物可降解电子元件的生物医学用途
生物可降解的电子产品可以刺激愈合和帮助组织再生，这可能会带来新的医学突破。微/纳米制造技术的发展使研究人员能够制造出由软聚合物、生物可降解金属、薄硅和有机材料组成的植入式装置。
生物传感器
生物传感器可以监测人体内的压力、流量、张力和化学物质，并协助医生诊断生理状况。除了在不再需要时溶解在体液中的能力外，这些装置还表现出优异的电气特性。
例如，某些类型的有机硅弹性体具有高介电强度，并且用作用于测量血管中压力和氧气水平的高灵敏度电容传感器的介电层。其他类型有优越的屈光特性，允许测量角膜压力。
除了医疗应用，可生物降解的电子元件也进入了消费电子市场。
市场上的可生物降解电子产品
可生物降解电子元件的优点使其成为许多电子器件的理想选择。新的聚酰胺柔性薄膜提供了下一代可穿戴传感器所需的机械强度、光学特性和耐温性——可折叠电子产品的超薄触摸屏。生物可降解电子产品的以下发展尤其有希望:
聚酰胺的电影
天然聚酰胺薄膜的新浪潮为薄而透明的电子设备提供了一个未来，这些设备在使用寿命结束时可以生物降解。为PCB设计新型聚酰胺柔性薄膜的特性可以消除当前板上常见的典型环氧/丙烯酸胶粘剂层，并导致非常柔韧，薄电路板。
水溶性电子器件
其他研究表明，水溶性材料可以作为集成电路以及用于环境传感器、医疗传感器或一次性手机的其他组件。水溶性电子器件被称为瞬态电子学，在器件作为废物降解为水、生物流体或土壤之前，接受在特定时间内发生功能的编程。集成电路内使用的硅薄层溶解形成环保硅酸。
场效应晶体管和环形振荡器
除了研究薄硅，研究团队还开发了场效应晶体管和由二氧化硅和钨组成的化合物的环形振荡器。研究小组发现，可以通过材料厚度、离子类型、离子浓度和二氧化硅沉积方法来控制器件的溶解速度。
可生物降解的丝绸
一种将超薄硅和镁层包裹在蚕丝蛋白中的技术，是从蚕茧中提取强度高、可生物降解的蚕丝蛋白开始的。然后，这个过程通过调整丝蛋白的特性来改变一段时间内降解的量。由镁互连、硅薄层和氧化镁门组成的纳米膜作为高质量的半导体，可以控制功率或感知丝蛋白内部条件的变化。由于瞬态电子只使用极少量的硅和镁，这些天然材料的溶解不会影响人类健康或环境。
光波导
生物可降解电子元件的其他应用包括光波导和其他类型的环境兼容光子元件。光波导允许光的控制和传输。基于丝绸的聚合物波导提供了生物调制和感知光的能力。
生物可降解光学电子学的一个应用涉及将可食用光学传感器嵌入农产品中。这种无毒的光学传感器可以检测有害细菌，并在与食物一起食用后溶解。
研究人员还利用蜘蛛丝引导光通过光子器件。这项技术的持续发展表明，光在丝绸中的流动方式与光在玻璃纤维中的流动方式相似。考虑到丝绸的光学特性，研究团队将丝绸集成到集成电路中，并使用丝绸传播和引导光线到电路的不同部分。由丝绸制成的光学传感器可以溶解，对环境没有危害。
生物可降解电子产品面临的挑战
虽然可生物降解的医疗设备带来了希望，但研究团队仍在继续努力，以确保先进的聚合物和可生物降解的成分完全溶解，并且不会留下微小的有毒化学物质痕迹。
其他的挑战包括开发软的、瞬态的电子元件和大规模生产的电路。这些挑战与设计电路的挑战相吻合，这些电路在溶解成环境或医学上无害的化合物之前，具有优异的电子特性并满足设计期望。
生物可降解电子产品的未来
尽管存在上述挑战，可生物降解电子产品的潜力似乎是无限的。农业传感器可以实时感知生长状况，将信息传递给农民，然后分解到土壤中。纳米级医疗设备可以针对单个癌细胞，减少对化疗的需求。消费类娱乐设备可以在使用寿命结束时溶解，而不会产生有毒化学物质。国防应用的例子包括无人机或机器人设备，它们具有可生物降解的程序。这些只是生物可降解电子产品可能改变行业的几个例子——不可否认，生物可降解电子产品的未来是光明的。
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