摘要：二维生物电子材料因其特有的整流、光伏效应和量子霍尔效应，为诊断和治疗带来了创新机遇。其作为电学和光学接口，支持跨时空尺度的多样化应用，包括心脏周期调控、深脑刺激和感觉运动功能恢复。当前的研究集中在增强生物组织与电子设备之间的交互，开发具备稳定性和生物相容性的高
第一作者：吴亦章
通讯作者：白武斌，王勇
通讯单位：北卡罗莱纳大学教堂山分校，西安电子科技大学
DOI: 10.1073/pnas.2412684121
背景介绍
二维生物电子材料因其特有的整流、光伏效应和量子霍尔效应，为诊断和治疗带来了创新机遇。其作为电学和光学接口，支持跨时空尺度的多样化应用，包括心脏周期调控、深脑刺激和感觉运动功能恢复。当前的研究集中在增强生物组织与电子设备之间的交互，开发具备稳定性和生物相容性的高质量生理传感界面。对称性工程在提升信号传输和能量转化方面显示出极大潜力，超越传统材料性能的限制，为自供电设备和高效生物电子界面铺平了道路。但依然面临诸多挑战，如信号传输效率和能量转换受材料本征特性限制，对称性控制复杂且难以实现，材料的生物相容性和长期稳定性不足，以及如何实现从基础研究到临床应用的有效转化。这些问题限制了其在高效、生物兼容和稳定的生物电子应用中的广泛应用。
要充分发挥这些材料的潜力，需要创新的方法来优化电子设备与生物组织界面的性能。该研究提出了一种突破性理念——在氧化MXene（OXene）中应用对称性工程，提升了信号传输和能量转化能力，重塑了二维材料在生物电子学和生物传感界面中的应用潜力。
对称性作为材料性能的基石，决定了电子的运动、相互作用以及对外部刺激的响应。通过选择性地破坏两种关键对称性——轨道对称性和空间反演对称性，使OXene展现出适用于生物电子学的卓越性能。轨道对称性破缺（Orbital symmetry breaking）可通过对金属d轨道与氧p轨道的错配实现，不仅增强了电子传输能力，还诱导出高效的垂直面外导电路径。空间反演对称性破缺（Inversion symmetry breaking）则引发压电极化，使材料在机械应力下能够动态分布电荷。这两种效应协同作用，大幅改善了OXene的电子-组织界面阻抗及其功能，为生物电子学应用奠坚实的基础。OXene的轨道对称性破缺发生于受控氧化过程中，通过引入锐钛矿型TiO2纳米结构，改变了 p-d 轨道的混成方式，导致具有 t2g 对称性的金属 d 轨道与氧 2p 轨道之间的错配。氧化物将电荷以极化子的形式局部化于金属表面，形成高效的面外传导通路，从而显著降低界面阻抗并增强电子传输。这些特性对于生物电子应用中的高保真信号传输至关重要。空间反演对称性破缺源于金属性MXene基底和 TiO2 半导体之间形成的肖特基异质结（Schottky Heterojunction）。肖特基异质结在应力影响下产生的内建电场能够极化电荷载流子。在拉伸或压缩应力作用下，这种极化会使电荷重新分布，诱发压电势。二次谐波生成（SHG）实验验证了材料的非中心对称结构，同时双频谐振跟踪（DFRT）实验则证实了其稳定的压电响应。压电效应对肖特基异质结势垒的调控，为高效电子传输提供了驱动力。二维生物电子学中轨道对称性和反演对称性破缺的结合，使 OXene 在低阻抗界面和高灵敏度应用中表现出色。本文亮点
1. 提出并实现了OXene中双重对称性工程，即轨道对称性和空间反演对称性的破缺，显著降低界面阻抗并增强电子传输。
2. 为植入式生物传感器提供高保真信号传输和内置信号放大功能。
3. 通过压电介导的肖特基OXene界面通过电致伸缩效应实现令人印象深刻的压力传感灵敏度，可用于步态分析。
4. 在柔性场效应晶体管中提供了更密集、更快速、更节能的OXene FET逻辑电路。
5. 利用 OXene 一体化植入物进行无线监测和时空测绘，实现基于机器学习的临床预测。
实验细节
1.通过溶液加工的MXene构建本征导电轨迹，利用激光切割实现图案化，经过氧等离子处理生成锐钛矿TiO2，可根据不同的生物电子功能实现局部区域定制。2. 在SEBS基板上构建3×3生物电极阵列，链接大鼠心外膜，检测其窦性和心肌梗塞情况。
3. 设计了一种锚定在趾间电极上的填充离子凝胶结构，利用OXene形成面内导电网络，并具有超强韧性和可拉伸性，以实现高灵敏的步态分析。
4. 以PDMS为基底和封装层，大面积的均匀OXene/MXene做源漏极，P3HT-NFs/PDMS作为半导体层，PVDF-HFP 与[EMIM][TFSI]混合作为介电层，制作了具有侧门结构的5×5有源晶体管矩阵。
5. 利用OXene制作用于起搏的上部 OXene 生物电极和用于起搏的上部 OXene 生物电极，结合嵌入猪真皮中的扩展无源电磁共振传感和磁共振无线电力传输线圈，实现了心脏生理活动的监测和调节。并组成了16通道同步压力贴片，经信号分析与学习后可实现心脏生理状态的预测。
结论
本研究通过氧化破坏MXene中的轨道对称性和空间反演对称性，实现了可区域定制的高效电导路径和电子传输调控，使OXene展现出适用于生物电子学的卓越性能。基于OXene对电子设备与生物组织界面的性能优化，在低阻抗界面和高灵敏度应用中实现了出色的应用。使 OXene 能够适用于不同领域，包括生物电极阵列、步态分析和无线心脏贴片，从而在啮齿动物和猪模型中实现多路复用、高保真和时空分辨的生理记录。与 ML 管道的集成展示了准确的生理状态分类和预测。同时，界面极化 OXene 可与 MXene 集成，在有源矩阵中实现独特的重新配置计算基底，有望为密集、快速和高能效的生物电子框架提供扁平化的可编程维度。从更广阔的角度看，对称性调制可实现众多增强型二维生物电子接口。这种设计原理可为现有的二维生物电子学，尤其是临床实践提供突破性的成果。
图文解析
图1. OXene中双重对称性工程原理的概览。
用于精确监测的增强生物电子界面
生物电子学的主要挑战之一是在电子设备与生物组织的界面上实现高保真信号传输。OXene通过其对称性工程结构有效地解决了这一问题，在实现高保真信号传输的同时，保持了优异的生物相容性。在小鼠模型测试中，与传统材料（如MXene和PEDOT）相比，基于OXene的生物电极阵列展示了卓越的信号保真度。这种能力对于捕捉微弱的生理信号（例如心电图中的P波和QRS波群）至关重要，即使是在心肌梗死的情况下仍能精确捕捉到心肌运动信号。利用一种多通道数据训练的深度神经网络，我们的平台能够准确分类心脏状态（如窦性心律和心肌梗死），并以极高的精度预测潜在的病理风险。这些发现凸显了OXene在临床心脏病学实时诊断中的潜力。
图2. 小鼠心脏上的OXene生物电极阵列及其在健康与梗死状态下的信号清晰度。
在步态分析中的压力传感突破
除了心脏监测的应用之外，OXene的压电特性还为压力传感提供了全新的解决方案。通过将OXene嵌入离子凝胶中，我们开发了一种具有卓越灵敏度的压力感应系统，能够捕获并放大机械变形信号。这一系统被应用于步态分析，依赖于一种基于循环神经网络的算法，成功识别并分类了不同的步态模式。反演对称性破缺产生的压电效应确保了信号放大的可靠性，使该技术在假肢、康复和其他需要精确生物力学监测的领域具有广泛的应用前景。
图3. OXene填充离子凝胶压力传感器的示意图及其在步态分析中的应用。
柔性场效应晶体管中的可重构逻辑
OXene的独特性能还扩展到了可重构逻辑电路的领域。通过对 MXene 的选择性氧化，我们成功制造出能够充当 NAND 和 NOR 逻辑门的晶体管阵列。这些可重构系统是实现紧凑、节能计算基质的重要基础，尤其在生物电子学应用中表现出巨大潜力。不同于依赖功能层堆叠的传统方法，OXene中的双重对称性破缺通过改变其物理特性，在单层结构中实现了逻辑功能的重构。这一创新不仅简化了器件架构，还显著提升了高密度应用的可扩展性和效率。
图4. OXene/MXene晶体管阵列及其逻辑门配置。
无线监测与临床整合
我们还开发了一种基于OXene的无线系统，用于实时生理监测。该系统由具有生物相容性、无电池设计的设备组成，采用感应耦合技术，消除了穿皮硬件的需求，从而降低了感染风险并提升了患者的舒适度。在选择的猪心模型中（因其心血管系统与人类的高度相似性），这些设备实现了心肌收缩的时空分辨率映射。这一功能对于心脏疾病的诊断和恢复监测，尤其是在心肌梗死情境中的应用具有关键意义。通过结合 OXene 的增强界面性能与机器学习算法，我们构建了一种强大的预测临床结果框架。采用 CNN-GRU 架构，成功分类了健康窦性心律与心肌梗死不同阶段，并以高精度完成了预测。
图5. 在猪心模型上运行的无线OXene贴片，展示其时空映射能力。
展望
OXene的双重对称性工程展示了基础科学发现如何推动生物电子学领域的变革性创新。通过解决信号保真、能效和设备可扩展性等关键问题，OXene为可穿戴和植入式技术开辟了新方向。其与机器学习管道的深度融合进一步放大了应用潜力，为精确诊断、监测和治疗干预提供了新的解决方案。这项研究表明，材料科学的进步能够直接影响临床实践，不仅为患者带来更优的治疗结果，也拓宽了生物电子系统的应用边界。随着对对称性工程潜力的持续挖掘，OXene将作为跨学科合作与科学创新力量的典范，推动生物电子学迈向更高水平。
来源：华算科技
