用于可生物降解电子器件的分层结构化、可拉伸、抗生物污染封装技术

　　本文报道了一种通过将自组装有机硅纳米线网络与微图案化可生物降解弹性体结合而设计的柔软、可拉伸且抗生物污染的封装材料。该分层结构表面具有超疏水性，水屏障性能相比未修饰薄膜提升高达420%，并在循环应变下保持稳定性。体外和体内评估显示其可抑制细胞粘附、减少纤维化组织形成并具有优异生物相容性，为长效生物可吸收电子植入物提供了有前景的解决方案。

　　

引言

柔软、可生物吸收的植入式设备作为下一代治疗平台已引起广泛关注，能够执行多种功能，包括生物信号和化学传感、神经再生、起搏、药物输送以及组织/骨修复。这些瞬态设备在预定时间窗口内工作后，会在体内完全降解，从而消除了二次移除手术的需要，降低了感染风险并减轻了患者不适。然而，它们在生理环境中的成功运行关键取决于坚固的封装层，这些封装层保护瞬态电子组件免受生物流体引起的降解，同时保持机械顺应性和生物相容性。尽管天然和合成聚合物如丝素蛋白、蜡、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)、聚乙交酯-ε-己内酯共聚物(PGCL)等已被探索作为封装材料，但它们通常表现出对水和离子的有限屏障性能，导致设备过早失效。此外，大多数现有封装材料缺乏固有的抗生物污染功能，导致不良的蛋白质吸附或细胞粘附，可能引发免疫反应和纤维化，损害设备功能和生物相容性。

基于有机硅纳米网络的层次结构用于疏水、抗生物污染封装

研究引入了一种柔软、可拉伸且抗生物污染的封装剂，可通过抑制细胞粘附、最小化炎症并延长可生物降解医疗植入物的功能寿命。通过在微结构化可生物降解弹性体上自组装有机硅纳米线(OSN)网络，创建了一个分层表面，实现了超疏水性而不影响机械完整性。这种方法显著增强了水屏障性能——与原始聚合物相比高达420%——并在各种可生物降解聚合物系统中展示了广泛的适用性。

图1a展示了用于可拉伸和可生物降解电子设备的抗生物污染封装剂的概念。封装剂由一种混合结构组成，该结构将自组装有机硅纳米线(OSN)网络与一种可生物降解弹性体——聚(L-丙交酯-co-ε-己内酯)(PLCL)相结合，具有精确设计的微尺度表面形貌，包括直径约5 μm、纵横比为2、中心间距约7.5 μm的微柱或微孔。这些尺寸的选择是为了实现Cassie-Baxter(CB)润湿状态。OSN网络通过在潮湿条件下甲基三氯硅烷(MTCS)的受控自组装合成，形成横跨微结构化聚合物表面的互穿纳米网。将OSN网络整合到微结构化的PLCL上产生了分层双尺度粗糙度，通过促进CB润湿状态显著增强了防水性。图1b展示了所得具有柱状图案的PLCL-OSN复合材料(称为PLCL-p-OSN)的超疏水行为。当水滴以仅1°的倾斜角轻轻施加到表面时，它立即滚落而不留下任何痕迹，表明具有高水接触角和超低滑动角。这种性能归因于最小的固液接触面积和表面纹理中的空气截留。

为了评估抗生物污染性能，将小鼠胚胎成纤维细胞(NIH-3T3)在37°C下在原始PLCL和PLCL-p-OSN薄膜上培养72小时(图1c)。原始PLCL表面支持强烈的细胞粘附和增殖，形成致密的细胞单层。相比之下，PLCL-p-OSN表面完全抑制了细胞附着，表明优异的抗生物污染能力，可能归因于减少的有效接触面积和阻碍稳定细胞粘附与铺展的物理表面形貌的联合效应。值得注意的是，降解过程主要涉及PLCL基底的水解链断裂，这也导致OSN网络逐渐分解成更小的碎片，尽管清除途径尚未完全阐明。

聚合物薄膜上OSN网络的形成与表征

对化学修饰产物进行纳米级检查并使用各种工具表征所得特征非常重要。图2a说明了OSN网络在PLCL薄膜上的形成过程。最初，PLCL中的非极性亚甲基(─CH₂─)和酯基(─COO─)通过使用强氧化剂过硫酸铵的自由基介导氧化转化为羟基(─OH)和羧基(─COOH)。相比之下，常用于表面修饰的氧等离子体处理在引入羟基方面效果较差，可能是因为PLCL中的官能团对等离子体产生的自由基如•O、•OH和O₂•^?的反应性较低。羟基化薄膜然后在潮湿条件下暴露于MTCS以形成OSN结构。值得注意的是，湿度在此过程中起着关键作用：水蒸气与MTCS中的Si─Cl键反应生成硅醇(Si─OH)基团，然后自发缩合形成硅氧烷(Si─O─Si)交联网络。在受控湿度下，该过程实现了成核和各向异性生长，导致一维或纤维状纳米结构的形成。

图2b证实了OSN的成功形成。与原始PLCL相比，羟基化PLCL(PLCL-OH)在3200至3700 cm^?1之间表现出略微增强的宽吸收带，归因于O-H伸缩振动。在MTCS处理的薄膜(PLCL-OH-OSN)中，在1271、1014和779 cm^?1处出现了明显的新峰，分别对应于Si-CH₃弯曲、Si─O─Si伸缩和Si─C伸缩振动。图2c显示了微图案化PLCL薄膜(带有柱或孔)在MTCS处理之前和之后的表面形态。适当的处理持续时间产生了粗糙、密集堆积的OSN结构(直径约15 nm)，保形地覆盖柱和孔表面。然而，偏离最佳持续时间会导致OSN形成稀疏或过度密集。

图2d,e显示了不同PLCL薄膜(平坦、孔图案和柱图案)在羟基化和硅烷化之前和之后测量的水接触角。固有状态下的接触角对于每种几何形状分别为84°、120°和135°，而羟基化由于引入了亲水基团略微降低了这些角度。随后的OSN形成显著将接触角增加到150°以上，表明表面被改性为超疏水。然而，应注意过度的OSN覆盖会导致水接触角略微降低。图2f和图S4(支持信息)表明表面改性过程对PLCL薄膜的机械完整性影响可忽略不计，显示了坚固且功能性表面工程的强大潜力。

OSN网络基分层结构在可拉伸、可生物降解电子中的应用

所得材料和性能可应用于电气和光学设备以确定实际效用。图3a展示了一个评估OSN网络修饰聚合物封装性能的实验装置。一个300 nm厚的镁(Mg)迹线沉积在玻璃基板上，一个300 μm厚的封装剂薄膜层压到迹线上，随后连接一个基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的腔室。然后将腔室填充磷酸盐缓冲盐水(PBS, pH 7)，并监测可溶解金属的电阻变化。此处，电阻开始增加的时间被定义为功能寿命。图3b显示了用各种材料封装的Mg迹线的电阻曲线。原始PLCL表现出约18小时的功能寿命，而表面纹理，特别是OSN网络的引入显著延长了这一持续时间。结合微柱和OSN网络的分层结构(PLCL-p-OSN)实现了约75小时的增强使用寿命(比原始PLCL提高约420%)，通过加入100 nm厚的SiO₂层进一步增加到约100小时。孔图案样品的封装性能见图S5(支持信息)。功能寿命随封装剂厚度线性增加(图3c)，与预期水扩散路径的延长一致。值得注意的是，500 μm厚的PLCL-p-OSN薄膜实现了超过130小时的功能寿命。

为了评估机械耐久性，PLCL-p-OSN薄膜经受30%、50%和100%的循环拉伸应变，随后进行功能寿命测量。如图3d所示，增加的应变水平和循环次数导致性能略有下降。然而，降解远低于10%，可能归因于聚合物基质的弹性和OSN层的多孔、顺从性质。这种表面改性方法的通用性在各种可生物降解聚合物上得到进一步证明，包括聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚氨酯(PU)和含有二氧化硅(SiO₂)纳米颗粒的PLCL复合材料(图3e)。虽然固有的水屏障性能因聚合物疏水性和防水纳米颗粒含量而异，但OSN处理一致地增强了功能寿命。例如，原始PLCL+纳米颗粒(NP)表现出约5.6天的寿命，OSN处理后延长至约16.7天。我们注意到，过度的厚度不仅增加了设备的机械刚性，还降低了柔软、可拉伸的特性，可能导致功能受损和与周围组织或器官的机械不匹配。在此背景下，表面工程策略在不改变厚度或设备外形因素的情况下改善了保护，从而保留了柔软性、灵活性和与组织的机械相容性。

作为概念验证，PLCL-p-OSN和PLCL-h-OSN薄膜被用作可拉伸、瞬态光电设备的封装和基板层，该设备由通过300 nm厚Mg互连连接的红外(IR)发光二极管(LED)组成(图3f)。在PBS(pH 7, 37°C)中浸没设备的红外热成像显示设备稳定运行4天，第5天完全功能失效，与PLCL-p-OSN和PLCL-h-OSN的封装性能一致。850 nm处发射强度的数据图(图3g)进一步证实了这种行为，显示通过第4天输出稳定，随后迅速下降至可忽略的水平。尽管所提出的方法在设备级性能上得到了验证，但使用实际系统级设备进行长期实验可能是探索临床适用性的宝贵方式。

OSN网络基分层结构的抗生物污染效应与生物相容性

为了确认PLCL-p-OSN是否影响细胞粘附并表现出抗生物污染效应，我们将NIH-3T3小鼠成纤维细胞系接种到材料上并观察细胞粘附。如图4a所示，对照组、PLCL组和PLCL-p组的细胞在第1天粘附在表面，然而在PLCL-p-OSN组未观察到细胞粘附，与已知具有固有低表面能的PDMS组相似。第3天，在对照组观察到显著的细胞增殖，而在PDMS和PLCL-p-OSN组未观察到额外的细胞附着。在细胞附着的定量分析中(图4b)，PLCL-p-OSN组在第1天显示出比对照组、PLCL组和PLCL-p组分别少97.5%、95.4%和96.1%的细胞附着。第3天观察到类似趋势，PLCL-p-OSN组显示出比对照组、PLCL组和PLCL-p组分别少99.5%、98.9%和98.2%的细胞附着。

为了研究体内行为，我们将实验组(PDMS、PLCL、PLCL-p、PLCL-p-OSN)皮下植入小鼠，并在植入后1周和3周分析纤维组织厚度和是否存在全身毒性。组织病理学评估结果显示，所有植入物均未表现出显著的局部炎症反应(图4c；图S6，支持信息)。然而，在所有组中，观察到植入物周围有经苏木精和伊红(H&E)染色呈嗜伊红性的组织，并且这些组织被Masson三色染色(蓝色)确认为显示阳性反应的纤维组织。有趣的是，PLCL-p-OSN组在1周时显示围绕植入物的纤维囊厚度显著减少 compared to the other groups。这一趋势持续到3周，PLCL-p-OSN组在3周时显示出与其他组相比最薄的纤维囊厚度。在纤维组织的定量分析中，PLCL-p-OSN组在第1周显示出比其他组薄55.3%(PDMS)、67.3%(PLCL)和30%(PLCL-p)的纤维组织厚度，第3周分别为53.2%、53.8%和27.4%(图4d)。在评估植入物毒性作用的心脏、肺、肝、肾和脾的组织病理学分析中，所有实验组(PDMS、PLCL、PLCL-p)包括PLCL-p-OSN组均未显示显著毒性反应(图4e；图S7，支持信息)。这些结果表明，PLCL-p-OSN在体外和体内水平均表现出有效的抗生物污染控制，并且不会在重要器官中引起明显的毒性反应。

结论

本文报道的概念、材料和方法提出了一种强大的表面工程策略，以开发用于可拉伸、生物可吸收电子器件的柔软、超疏水和抗生物污染的封装剂。通过将微图案化可生物降解弹性体与自组装OSN网络集成构建的分层结构，显著增强了防水性，同时保留了机械性能。这种双尺度架构减少了有效接触面积和流体渗透性，从而能够在各种可生物降解聚合物中实质性改善封装性能。将OSN处理的薄膜集成到可拉伸、瞬态光电设备中，成功地在含水环境中延长了设备功能。在生理条件下的系统评估，包括细胞粘附、组织整合和纤维化反应，验证了所提出封装剂的抗生物污染功效和生物安全性。这些发现表明，这种分层表面改性作为增强瞬态生物医学植入物的功能寿命和免疫耐受性的通用平台具有前景。

实验部分

聚(L-丙交酯-co-ε-己内酯)(PLCL, Mn ≈160k)的合成遵循先前建立的方案。PLCL溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中至浓度15%(w/v)，并搅拌过夜以确保完全溶解。所得溶液然后浇铸到聚二甲基硅氧烷(PDMS, 10:1)模具中，这些模具预制在具有微孔或微柱图案(直径5 μm；纵横比2；节距2.5 μm)的硅(Si)主模具上，使用深反应离子蚀刻(DRIE)生产。浇铸后，聚合物溶液在80°C的热板上干燥24小时以去除溶剂，产生厚度约300 μm的柔性薄膜。这些薄膜从模具上轻轻剥离以供进一步处理。

为了创建表面纳米结构，薄膜最初浸入30 w/v%的过硫酸铵(APS)水溶液中，在80°C下10小时，随后用去离子(DI)水彻底冲洗并在80°C下干燥1小时。然后，羟基化薄膜在环境条件(25°C，约60%湿度)下在溶解于石油醚的0.05 M甲基三氯硅烷(MTCS)中浸泡24小时。之后，样品依次用石油醚、乙醇和去离子水洗涤，最后在120°C下干燥10分钟。使用傅里叶变换红外(FT-IR; Cary 630, Agilent, USA)光谱分析每个阶段的化学结构变化。相同过程应用于其他聚合物基质，包括聚己内酯(PCL, Sigma-Aldrich, USA)、聚乳酸(PLA, Sigma-Aldrich, USA)、聚氨酯(PU)和含有20 v/v%二氧化硅(SiO₂)纳米颗粒的PLCL复合材料，以评估制造策略的通用性。

制备薄膜的表面结构使用扫描电子显微镜(SEM; S-4700, Hitachi Hi-Tech, Japan)分析。为了评估表面特性，通过在水膜表面在环境条件下分配约6 μL DI水进行水接触角(WCA)测量，使用接触角分析仪(Phoenix-MT(M), SEO, South Korea)。对于机械测试，制备的薄膜按照ASTM D638标准切割成哑铃形几何形状。这些样本然后使用以恒定伸长率6 mm min^?1操作的万能试验机(Instron 5900 series, Instron, USA)进行拉伸测试。

为了评估封装层的保护能力，使用电子束蒸发器(VER5004, South Korea)在玻璃基板上沉积300 nm厚的镁(Mg)层，并通过光刻图案化以形成电阻器配置。各种类型的薄膜应用于Mg电阻器上，并将PDMS腔室粘附到基板上。该腔室然后填充0.1 M磷酸盐缓冲盐水(PBS, pH 7, Sigma-Aldrich, USA)。通过使用源表(Keithley 2636b, Tektronix, USA)以1 kHz的数据采集率随时间测量其电阻来监测Mg电阻器的操作稳定性。每个封装剂的功能寿命定义为直到电阻开始增加的时间。

通过顺序旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA, MicroChem, USA; 约100 nm厚)和聚酰亚胺(PI, Sigma-Aldrich, USA; 约1.2 μm厚)到p型硅晶圆(Silicon Technology Co., Japan)上制备临时基板。使用电子束蒸发将300 nm厚的Mg层沉积到此基板上，并随后通过光刻图案化以形成电极。稀释的聚酰亚胺(D-PI)层(约400 nm厚)被旋涂作为临时绝缘顶层。使用反应离子蚀刻(RIE; JVAC, South Korea)完成电极图案化。PMMA层在丙酮中溶解以从晶圆释放整个设备。通过RIE移除底部PI层允许将设备转移到作为基板的PLCL-h-OSN薄膜(厚度约500 μm)上。然后，D-PI绝缘层也使用RIE蚀刻掉。然后将一个μ-LED(0402表面贴装封装)使用银导电环氧树脂键合到Mg电极上，并将导线固定到接触焊盘。设备然后用PLCL-p-OSN薄膜(厚度约500 μm)封装，该薄膜通过UV/臭氧表面活化(PSDP-UVT, Novascan, USA)化学键合。

设备浸入PBS(pH 7)中，在37°C下在恒定4 V电源下操作。为了随时间监测功能退化，以8小时间隔执行红外热成像，测量850 nm处的峰值发射强度。

为了验证体外抗生物污染效应，使用小鼠成纤维细胞系NIH-3T3。实验材料PLCL、PLCL-p和PLCL-p-OSN以2 cm x 2 cm尺寸附着到60 mm细胞培养皿上(每组n=4)。随后，将2.5 x 10? NIH-3T3细胞接种到每种材料上。使用活/死染色试剂盒对细胞进行染色以进行可视化和生物相容性评估。使用倒置荧光显微镜在第1、2和3天拍摄图像。活细胞用钙黄绿素-AM染色并观察为绿色，而死细胞用乙锭同型二聚体-1染色并观察为红色。使用Image J软件对获取的图像进行计数和定量分析。

使用皮下小鼠模型分析实验材料的抗菌粘附效应体内。所有动物实验均根据高丽大学IACUC指南(批准号: KUIACUC-2024-0087)进行。二十四只7周龄C57Bl/6雄性小鼠分类如下：每组三只小鼠，分别在1周和3周时植入PDMS、PLCL、PLCL-p和PLCL-p-OSN。手术当天，每只动物给予抗生素和镇痛药以防止感染和控制疼痛。对于皮下植入，动物用2%异氟烷吸入麻醉(2 L min^?1氧气)麻醉。植入前，背部皮肤毛发被移除，手术区域用70%乙醇和聚维酮消毒以防止感染。随后，做1–1.5 cm皮肤切口，并使用Metzenbaum剪刀通过钝性分离创建皮下口袋。将尺寸为1 cm × 1 cm的实验材料植入皮下口袋，并使用手术夹和非吸收缝线缝合。一周和三周后，使用CO₂处死动物，并收集皮肤和重要器官(心脏、肺、肝、肾、脾)并在10%中性缓冲福尔马林中固定。

用固定剂固定的器官(皮肤、重要器官)使用常规石蜡包埋技术处理。简而言之，组织经历脱水、透明和石蜡渗透，随后制备石蜡块。每个石蜡块切成4–5 μm厚切片，然后进行苏木精&伊红染色(HE)和Masson三色染色(MT)。使用倒置光学显微镜检查染色切片，并使用Image J软件进行定量分析(纤维厚度)。

除非另有说明，使用至少三个独立样本进行统计分析。数据表示为平均值±标准差(SD)，N表示实验重复次数。应用单因素ANOVA，随后进行Tukey's Honestly Significant Difference (HSD)事后检验以确定统计显著性。误差条表示SD，结果来自至少三个独立实验。差异在p<0.05时被认为具有统计显著性(p<0.05, #p<0.01, p<0.005, *p<0.0005)。

W.B.H.和S.H.对这项工作贡献相同。这项工作得到了高丽大学资助(K2515551)、KIST机构计划(2E32501-23-106)、韩国国家研究基金会(NRF)由韩国政府(科学、ICT、MSIT部)资助的赠款(RS-2022-00165524、RS-2025-25424498和RS-2025-00516727)、由国家研究基金会(NRF)资助的韩国政府(MSIT)电疗技术开发(RS-2023-00220534)以及通过信息与通信技术规划与评估研究所(IITP)由韩国政府(MSIT)资助的ICT创意协同计划(IITP-2025-2020-0-01819)的支持。

作者声明没有利益冲突。