蒙城，是安徽省亳州市的一個下屬縣，也是莊子的故里。2012 年，來自該縣蒙城一中的楊權三以 677 分的高考成績，成為全市理科第一，后就讀于清華大學“錢學森力學班”。這是國家“基礎學科拔尖學生培養(yǎng)試驗計劃”唯一定位于工科基礎的試驗班。

2021 年，在“柔性電子之父”、美國西北大學“五院院士”約翰·羅杰斯（John A. Rogers）教授課題組，楊權三獲得了機械系的博士學位。

圖 | 楊權三（來源：楊權三）

目前，他在麻省理工學院（MIT）做博后研究，師從生物工程系教授愛德華·博伊登（Edward S. Boyden）和機械工程系教授彼得·蘇（Peter T.C. So），主要研發(fā)三維微納加工技術，以為光學、材料、和生物等研究提供反應場所。對于更長遠的打算，其表示：“如果有合適的機會，我希望入職國內(nèi)的職位。”

時隔十年，回望當初全市第一的高考成績，楊權三說：“來到大學后，還是意識到了自身的很多不足。身邊有太多優(yōu)秀的人，而且優(yōu)秀得各不相同。不過無論是學習、科研、或是生活，并非爭到第一才是好的。依照自己的興趣，做自己喜歡的事，收獲自己努力后的成果，這也是很開心的?！?/p>

而在前不久，其擔任第一作者的新論文發(fā)表在 Nature Electronics 上。研究中，他把微機電系統(tǒng)（MEMS, microelectromechanical systems）成功帶入可降解電子器件的“大家庭”中。不過，距離真正應用高性能高集成的可降解電子器件，依然有很長的路要走。

他表示：“在接下來幾年里，我們希望把這個 concept 傳遞給其他研究者，吸引MEMS 的研究者和 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）的研究者，可降解柔性電子領域進行的思維碰撞，為邁向高性能、高集度的可降解芯片而努力?！?/p>

（來源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

1、把微機電系統(tǒng)引入瞬態(tài)電子器件“大家庭”

概括來說，此次工作解決了領域內(nèi)存在多年的重大挑戰(zhàn)。瞬態(tài)電子技術，也叫可降解電子技術。鑒于在醫(yī)療健康和環(huán)境保護方面的重要意義，它在近十年內(nèi)獲得了大量關注。

在醫(yī)療健康方面，當將其植入體內(nèi)后，瞬態(tài)電子會在特定時長內(nèi)持續(xù)發(fā)揮功能。待病人康復后，可在體內(nèi)自行降解并被吸收，無需進行二次手術來取出器件，避免了二次手術引起的感染風險，也降低了醫(yī)療成本。

在環(huán)境保護方面，瞬態(tài)電子可以自行在環(huán)境中降解，從根本上降低了電子垃圾/電子廢物對于當今環(huán)境的損害。

近幾年來，學界在瞬態(tài)電子技術上取得了重大進步，通過它人們也在電路和半導體器件上實現(xiàn)了重大突破。

然而，要想真正實現(xiàn)與商用成熟產(chǎn)品相媲美的瞬態(tài)電子器件，就要解決一個重大難題：即如何把微機電系統(tǒng)引入到瞬態(tài)電子器件的“大家庭”中來。

在移動電子領域，MEMS 器件起著至關重要的作用。全球范圍之內(nèi)，每年大約有 300 億個微機電器件被生產(chǎn)出來。然而，到目前為止并沒有任何關于瞬態(tài)微機電系統(tǒng)的報道，這主要是因為微機電系統(tǒng)通常采用單微米級別的三維硅基的懸浮結構，通過這些懸浮的三維機械機構的運動或振動來實現(xiàn)相關功能。

常見案例有手機里的加速度計、陀螺儀、諧振器等。這些結構本身就十分具有挑戰(zhàn)性，把這些結構和材料變成可降解的并實現(xiàn)相似的性能，更是難上加難。

然而，只有把微機電 MEMS 系統(tǒng)引入瞬態(tài)電子器件庫，才能真正借助瞬態(tài)電子的技術平臺，來制備與商用成熟產(chǎn)品相媲美的器件。

除了 MEMS 器件的本身難點之外，MEMS 的封裝也是領域內(nèi)“曠日持久”的一個重大難題。因此，要想做出可降解的功能型 MEMS，還得同時針對可降解 MEMS，研發(fā)封裝材料和封裝策略。

故在該研究中，主要難點有三：

其一，在材料和器件結構層次：如何尋找到合適的可降解材料和策略，來構建高性能微機電系統(tǒng)；

其二，在轉印和集成策略層次：如何將這些可降解 MEMS 和之前被研發(fā)出來的可降解 IC（IC, integrated circuits）/CMOS 集成在一起，來構建一套柔性的可降解系統(tǒng)；

其三，封裝材料和策略層次：如何對脆弱的可降解 MEMS 進行封裝，以便在環(huán)境保護和醫(yī)療健康方面實現(xiàn)安全使用。

在材料和器件結構層次上，楊權三所在課題組此前發(fā)現(xiàn)，硅的微米級乃至納米級的薄膜，可以在體內(nèi)或者環(huán)境中緩慢降解，因而用于 MEMS 的單晶/多晶硅，故可被認定為一種可降解材料。

除了硅這個核心材料，他和同事采用氮化硅、二氧化硅作為絕緣層，同時使用鎢和鉬作為導電層，所有這些材料都可以被降解。

在轉印和集成策略層次上，為了制備高性能的可降解電子器件，研究小組在工業(yè)化成熟的硅基基底上進行了器件制備。

然后，利用各向異性的刻蝕將 MEMS 器件下面的硅除去，讓 MEMS 器件變成懸浮狀，僅留下四條氮化硅條帶連接周圍的、未被刻蝕的硅基底。

之后，通過課題組自研的轉印工藝，利用聚二甲基矽氧烷（PDMS，Polydimethylsiloxane）將可降解的微機電系統(tǒng)，轉移到可降解的柔性聚合物基底上。接著，再通過相似的工藝轉印 CMOS，這樣就能制備出來柔性 MEMS-CMOS 集成的可降解芯片。

（來源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

在封裝材料和策略層次上，MEMS 在環(huán)境和體內(nèi)的工作有三大難點：

第一，當 MEMS 在環(huán)境里或者在體內(nèi)，由于組織器官的摩擦以及血液組織液的流動，十分容易被損壞。而 MEMS 因此產(chǎn)生的無機碎片的幾何尺寸，處于單微米的尺度上，很容易對細胞和組織產(chǎn)生損壞；

第二，對于一些接觸式的 MEMS 器件比如粘度計，核心硅基結構需要一直浸沒在生物組織液里來測量其濃度，難點在于如何讓核心結構在接觸組織液的同時，長期保護核心硅基結構；

第三，也是所有生物電子器件都會遇到的難題，即如果穩(wěn)定地把器件固定在生物組織的某一個特定位置上，從而進行長時間的精確測量？

針對于這些挑戰(zhàn)，楊權三分別針對非接觸式和接觸式的可降解 MEMS，開發(fā)出兩套可降解的封裝系統(tǒng)。對于非接觸式的 MEMS，比如加速度計或者陀螺儀，他和所在團隊采用可降解的生物蠟來作為堅固的器件封裝，從而讓 MEMS 器件能夠穩(wěn)定運行數(shù)天之久。

針對于接觸式的 MEMS 比如黏性計，這些器件需要一直接觸到生物組織或者生物液體。為此，他和同事采用可降解的可注射粘性水凝膠作為封裝材料。

說到這里楊權三表示：“值得一提的是，這個封裝材料/界面也是我之前主導的一項研究課題，2021 年發(fā)表于 Nature Materials。”

這一封裝材料有三大優(yōu)勢：（1）可同時防止由于損壞或者降解導致的硅基碎片在體內(nèi)到處流動，以避免損傷其他組織和器官；（2）對于大多數(shù)分子和蛋白質，水凝膠可起到快速滲透作用，故能保證水凝膠封裝內(nèi)的液體成分和水凝膠外的液體成分是相似的，這樣既能保護封裝內(nèi)的 MEMS 器件，也能確保 MEMS 器件接觸到生物組織液，從而進行精確的測量；（3）可以把器件牢牢地粘在組織表面達數(shù)周之久。以上優(yōu)勢可分別解決前面的三個難點。

近日，相關論文以《生態(tài)和生物可吸收的微機電系統(tǒng)》（Ecoresorbable and bioresorbable microelectromechanical systems）為題發(fā)表在 Nature Electronics上 [1]，并成為當期封面論文。楊權三擔任第一作者，美國西北大學“五院院士”約翰·羅杰斯（John A. Rogers）、以及同課題組的 Jan-Kai Chang 博士擔任共同通訊作者。

（來源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

投稿過程中，該論文獲得了如下評價：“這是一篇由該領域的世界領導者（撰寫）的關于可降解 MEMS 的系統(tǒng)性論文，內(nèi)容的展示是杰出的”“整篇論文用系統(tǒng)全面的實驗證明了整套可降解 MEMS 體系的可行性。整套技術細節(jié)都是魯棒的、準確的、精準的，幾乎沒有技術批評的余地”。

圖 | 相關論文（來源：Nature Electronics volume）

期刊編輯還邀請該團隊寫了一篇 research briefing 來補充性地介紹此次工作 [2], 同時 Nature Electronics的編輯也對該論文發(fā)表了 editorial（社論）[3]。

“期刊每月只有一篇 editorial，在里面編輯高度贊揚了我們的工作通過把 MEMS 引入到了可降解電子器件的家族中來，同時有望解決電子垃圾這個重大挑戰(zhàn)?！睏顧嗳硎尽?/p>

圖 | 關于此次論文的社論（來源：Nature Electronics volume）

2、將生產(chǎn)高性能、高集成度的可降解 MEMS/CMOS 芯片

如前所述，楊權三本科就讀于清華大學錢學森力學班，期間主要學習力學和機械。讀博期間師從 John A. Rogers 教授后，他十分想把力學和機械的知識，帶到可降解電子器件領域。

后來，他把想法告訴了導師。其表示：“聽完我的陳述后，John A. Rogers 教授說，那我們就做可降解的微機電系統(tǒng) MEMS！”

事實上，該課題組一直十分想把 MEMS 帶入可降解電子器件領域內(nèi)，但是做可降解 MEMS 不僅需要電子、材料、化學和生物集成方面的研究，也需要精通機械和力學。

對此楊權三說道：“這個研究算是站在巨人的肩膀上取得的成功，當時我組內(nèi)的師兄 Jan-Kai Chang 研發(fā)出一套轉印工藝，可將高性能可降解的 CMOS 器件轉印到可降解柔性基底上，為我們 MEMS 的轉印工藝奠定了基礎。在他的耐心幫助下，我們改進了整個工藝，并將改進后的工藝用到了脆弱的 MEMS 系統(tǒng)上?！?/p>

在可降解的封裝策略上，以上兩種封裝策略也是基于之前楊權三的工作來構建的 [4-5]。再加上該團隊有著靠譜的醫(yī)學合作方，愿意把其想法付諸實施并一起探討問題，所以項目整體進展得還算順利。

（來源：Nature Electronics volume 5, pages526–538 (2022)）

接下來，他和同事將結合高性能可降解 MEMS 和 CMOS 器件，制備出復雜的高度集成化的可降解芯片，在性能上達到與商用產(chǎn)品類似；同時，也將研發(fā)生態(tài)可持續(xù)的工藝，以便制備可降解的電子芯片。

此外，楊權三也將繼續(xù)探索可降解電子器件在醫(yī)療和環(huán)保上的應用。和此次論文同期發(fā)布的，還有其作為共同一作在 Science 上發(fā)表的論文 [6]。在 Science 論文里，他和同事提出了生物可吸收的柔性神經(jīng)冷卻裝置，能以快速可逆的方式通過冷凍周圍神經(jīng)來阻斷疼痛信號。

他最后表示：“我們的目標是在近五年內(nèi)利用可持續(xù)綠色的制備方法，生產(chǎn)出高性能、高集成度的可降解 MEMS/CMOS 芯片，以減輕病人的手術痛苦、以及減少環(huán)境中的電子垃圾?！?/p>

審核編輯 黃昊宇