生态和生物可吸收的植入装置

微机电系统（MEMS）在电子科技领域扮演着重要的角色。传统的MEMS器件需要在一定条件下才能可靠运行并保持长期稳定。而能够在有限时间内保持稳定运行，随后进行物理解体、化学溶解或酶降解的MEMS器件更具备发展潜力也更具备技术含量。

西北大学的Jan-Kai Chang和John A. Rogers教授合作报道了一种生态和生物可吸收的MEMS（eb-MEMS）器件以及安全有效的生物集成封装策略。作者演示了eb-MEMS与机械柔性衬底和生物可降解集成电路的集成方案。还通过力学生物学、组织学和血液学研究证明了eb-MEMS溶解前后较好的生物相容性，最后通过在在大鼠背部皮下组织中植入eb-MEMS器件证明封装策略的必要性。

生态和生物可吸收形式的MEMS

eb-MEMS的顶层是掺杂多晶硅（TP，2 µm），作为移动/震动元件，中间层也是掺杂的多晶硅（MP，3 µm），作为固定元件，底层是氮化硅（BN，600 nm），作为绝缘层，同时以生物可吸收聚酸酐（PAP）作为柔性基底。因为整个eb-MEMS都是柔性的，因此能够和组织表面进行有效的整合。首先作者通过光刻处理在硅衬底上制备eb-MEMS集合，然后经过一系列图案化和各向异性蚀刻过程选择性地去除eb-MEMS下方的硅，使其通过四个氮化硅以对角的方式连接到周围的晶圆，形成悬浮结构。接着用聚二甲基硅氧烷弹性体对器件四个角施加压力，防止与eb-MEMS的直接接触伤害其3D结构。最后，将eb-MEMS和外围的互补金属氧化物半导体电路转印到PAP上，去除牺牲组分和模板，完成整合过程。

图1 eb-MEMS的制备

eb-MEMS的生态和生物可吸收行以及生物相容性

eb-MEMS的一个特征就是每一个组分都能在一定时间内以一种可控的方式变成生态/生物相容性的终产物。关键组分TP、MP和BN能在水中经过水解产生硅酸，氢气和氨(Si + 4H 2O→Si(OH) 4 + 2H 2;Si 3N 4 + 12H 2O→3Si(OH) 4 + 4NH 3)。在pH 7.4、70 °C下，5天内，eb-MEMS的3D结构仍能保持，第六天，TP膜开始发生破碎，并且能观察到硅碎片。20天后，材料完全溶解。

然后作者研究了eb-MEMS的生物相容性，发现eb-MEMS结构组分的水解产物对细胞行为没有不利影响。此外，硅衬底上MP和TP层也不会明显降低细胞活力。背侧皮下埋植eb-MEMS装置1个月后，小动物重要器官(心脏、肾脏、肝脏、脾脏、大脑和背侧皮肤)并未出现组织损伤和免疫细胞浸润情况，血液指标也未发生明显异常。

图2 eb-MEMS的生态和生物可吸收行以及生物相容性

eb-MEMS的封装和生物集成

在组分降解过程中，eb-MEMS的结构可能被破坏并且发生形变，同时，释放的碎片可能破坏软组织甚至阻塞体液、血液流动，而且降解可能会使得植入装置移位。为了防止此类情况的发生， 作者用水凝胶粘合基质（HAM）对eb-MEMS进行了封装。HAM包含共价交联的双功能聚乙二醇-聚乳酸-双丙烯酸酯和离子交联海藻酸钠。壳聚糖主链上的伯胺基团与组织表面以及藻酸盐网络的羧酸基团共价结合，通过物理链缠结形成牢固的粘附力，能够将eb-MEMS固定在组织表面长达数天或数周，同时，HAM还能支持蛋白质或分子扩散辅助eb-MEMS进行传感，并限制由于溶解而造成的碎片的无规分布。

图3 eb-MEMS的封装和生物集成

动物植入评价

最后，作者将封装后的eb-MEMS装置植入动物模型中，发现HAM能够限制碎片移动长达数周。而没有经过HAM封装的装置植入后在小动物体内发现明显的碎片的位移。同时，作者还发现，植入31天后，不经过HAM封装，硅和钼会在皮肤中堆积，在其他器官中浓度会略有升高。这可能源于这些元素在没有HAM封装的情况下分布更广，溶解更快。相比之下，经过HAM封装，硅和钼的浓度相应低得多，接近于没有植入物的对照组，进一步证明HAM能够限制碎片在体内的运动能力。

图4 经过HAM封装和未封装eb-MEMS装置的体内评价

小结:作者介绍了这种完全生态和生物可吸收的MEMS器件以及相关的封装策略。这种eb-MEMS器件可以与之前报道的可生物降解硅基输出电路相结合，并且可以成为可靠的植入材料，为高集成度eb-MEMS的发展提供新思路。

全文连接：
https://www.nature.com/articles/s41928-022-00791-1

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！