作者及发表信息
本研究的核心成果由沈章明（Zhangming Shen）和程旭（Xu Cheng）作为共同第一作者，张一慧（Yihui Zhang）作为通讯作者，联合清华大学（Tsinghua University）应用力学实验室、新加坡国立大学（National University of Singapore）、北京清华长庚医院及北京科技大学等多个团队共同完成。该项研究于2026年7月8日发表在国际顶级学术期刊《Science Advances》上。
学术背景与研究目标
该研究属于应用科学与工程领域，聚焦于皮肤集成柔性电子器件。近年来，柔性电子器件在健康监测、伤口治疗等领域应用广泛，其趋势正从短期使用向长期、持续的佩戴转变。这要求器件在保持高机械拉伸性和电学可靠性的同时，还需提供皮肤级别的舒适性，例如透气性和透湿性。
三维（3D）结构电子器件因其出色的多模态感知能力和仿生力学性能展现出巨大潜力。然而，由于其几何结构的复杂性和机械脆弱性，如何在这类3D电子器件与皮肤之间建立一个既能顺应复杂几何形状、又能保证长期舒适佩戴的共形界面，一直是领域内的重大挑战。现有的基于固体基底或纳米纤维垫的界面策略，均无法有效兼容3D电子器件的复杂结构，且存在透气性差或应力集中导致器件早期失效等问题。
因此，本研究旨在开发一种全新的多功能多孔界面，通过在3D柔性电子器件周围构建工程化的微孔网络，来系统性地解决上述挑战，实现电子器件与皮肤之间在机械、热学和生物兼容性上的完美匹配，并最终将其应用于实际的伤口管理场景。
详细研究流程、实验与分析
研究团队的工作流程主要分为四个关键步骤：多孔集成策略的提出与制备、变形机制的力学建模与分析、3D多模态传感系统的设计与构建，以及用于伤口管理的3D闭环电子贴片的动物在体（in vivo）验证。
第一步：多孔集成策略的制备与表征。 研究人员首先通过力学引导的3D组装方法，将二维（2D）平面电路结构（如螺旋形、弧形互连线）转化为3D构型。随后，他们创新性地开发了一种牺牲模板法来构建多孔封装层。具体而言，他们将水溶性糖微粒（Sugar microparticles）作为牺牲模板，填入已组装的3D电子器件的空隙中，利用其良好的自适应性来完全贴合复杂的3D几何结构。接着，在负压辅助下灌注液体硅胶（Ecoflex 00-20）并加热固化。最后，通过溶解去除糖微粒和基底，成功制备出带有开孔微孔网络的封装层。通过调控糖粒尺寸，微孔大小可控制在约200至400微米。该方法的关键创新在于，它能在3D器件表面形成一层约20微米厚的超薄保护性硅胶壳，同时其外围和间隙则充斥着微孔网络，这种核壳结构实现了器件保护与整体多孔性的统一。 为验证该策略的效果，他们制作了嵌入多孔基体中的5x5微型发光二极管（mini-LED）阵列。实验测试表明，多孔封装器件在经历上万次循环拉伸、热水浸泡（50°C下7天）、机洗、户外跑步（30°C下1小时）及连续7天佩戴等严苛场景后，器件的平均照度变化均低于10%，展现出优异的机械耐久性和电学稳定性。通过对不同孔隙率（φ=0%~70%）的样品进行系统测试，研究者量化了孔隙设计带来的多维度性能提升：随着孔隙率增加，封装基体的弹性模量（Elastic modulus）显著下降，柔软度提升；冲击阻尼效率（Impact resistance ratio）提升了84.8%至156.5%；导热系数（Thermal conductivity, λ）从0.162 W/m·K降至0.0439 W/m·K，提供了优异的热缓冲效果；同时，30%应变的循环拉伸下器件表现出<10%的迟滞和低残余应变，体现了良好的机械回弹性。
第二步：3D介观结构在孔基体中变形机制的力学分析。 为阐明弹性拉伸性增强的机理，研究团队结合3D有限元分析（FEA）和显微CT（micro-CT）重建技术，对嵌入多孔基体中的螺旋形金/聚酰亚胺（PI/Au/PI）三层微带进行了深入分析。他们首先建立了力学模型，使用Voronoi算法生成了可控孔隙率（φ=50%）和平均孔径（d=350 μm）的随机多面体微孔几何模型。有限元分析揭示，与固体封装相比，多孔基体中微孔网络大幅降低了基体的有效刚度，并对微带施加离散的变形约束。在单轴拉伸载荷下，薄孔壁与螺旋微带发生相互作用，诱导孔壁弯曲和微带的局部壳壁屈曲（Localized pore-wall-shell buckling），从而显著降低整体应力水平，延缓塑性变形的产生。有限元预测的螺旋微带局部褶皱变形模式与显微CT重建结果高度一致。计算结果显示，在孔隙率50%的基体中，螺旋微带的弹性拉伸性可达52%，是固体封装（18%）的3.25倍。进一步参数化分析表明，这种增强效应不仅源于基体刚度的整体降低，更关键在于由微结构屈曲和自由孔空间带来的应力集中缓解作用。
第三步：具有工程化多孔封装的3D多模态传感系统。 借鉴人体皮肤中不同机械感受器（默克尔细胞、鲁菲尼氏小体和游离神经末梢）的分层分布特性，研究团队设计并组装了一个仿生3D多模态传感系统。该系统通过精确控制2D前驱体结构，经过受控屈曲变形，组装成一个包含三种不同高度和结构的3D传感器阵列，分别用于检测压力、应变和温度。实现多信号解耦的关键在于对封装孔隙率的空间分布进行精确调控：在弧形应变传感器周围，通过添加液态聚乙二醇（Polyethylene glycol）并随后移除，形成局部微腔（φ=100%），将其与外界压力隔离；在笼状力传感器下方，利用其近乎封闭的3D结构阻拦糖微粒，实现局部固体封装（φ=0%），屏蔽面内应变的干扰；其余互连线和温度传感器区域则采用标准多孔封装（φ=50%）。性能测试证实，该多模态系统能够在复合加载条件下，互不干扰地独立测量法向压力（灵敏度0.16%/N）、面内拉伸应变（灵敏度1.9%）和局部温度（热敏度2%/°C）。
第四步：3D闭环伤口管理电子贴片（3D-CURE Patch）的构建与在体实验。 在前述工作的基础上，研究者将多模态传感系统与柔性加热电路及负载头孢唑林钠（Cefazolin sodium）的琼脂糖凝胶（Agarose gel）整合，开发出3D-CURE贴片，并在Sprague-Dawley（SD）大鼠深二度烫伤模型上进行了闭环伤口管理验证。该贴片的工作原理是：传感系统以150毫秒/周期的频率持续监测伤口区域的应变、压力和温度信号。当信号超过预设阈值（例如，力/应变传感器相对电阻变化超过0.15%，或温度上升超过1.5°C），系统会判断为出现炎症、水肿或感染等病理症状。经过一个约20秒的判定期后，控制电路（FPC）将激活加热器，使微孔内的琼脂糖凝胶在约50°C发生相变软化，按需释放抗生素到创面。多孔界面在此过程中起到了关键的热缓冲作用，防止烫伤创面的二次热损伤，而固体封装对照组则因导热过快导致创面温度超过55°C，存在致伤风险。通过体外定量药物释放实验，验证了该系统可进行多循环、剂量可控的药物释放。
主要结论与科学及应用价值
本研究提出并验证了一种通用的多孔界面策略，成功解决了3D结构柔性电子器件与皮肤之间集成时所面临的几何适应性、长期佩戴舒适性和机械可靠性这三大核心难题。其科学价值在于，通过结合有限元分析与实验，首次系统揭示了“刚度降低”与“微结构局部屈曲”协同作用以增强3D结构弹性拉伸性的力学机制，为基于孔工程的柔性器件力学设计提供了理论基础。其应用价值则体现在，该策略赋予了电子器件前所未有的多功能性，包括高透气透湿性（715 g/m²/天）、优异的热/冲击缓冲能力以及药物递送功能。在此基础上成功开发的3D-CURE智能伤口贴片，能够在活体动物模型中实时、多模态地监测烫伤创面的病理状态，并进行按需、闭环的药物治疗，显著加速了创面愈合进程（14天内愈合速率是对照组的1.57倍），且再生皮肤组织（血管、毛囊、皮脂腺）的成熟度更高，疤痕面积更小，展现了在个性化医疗和先进伤口护理领域的巨大转化潜力。
研究亮点
本研究的亮点集中体现在三个方面。第一，策略的创新性：该研究提出了一种普适性强、兼容复杂几何结构的牺牲模板法多孔封装策略，从根本上突破了传统平面集成策略的局限。第二，机理的深刻性：研究深入量化并阐明了多孔结构增强复杂3D结构力学性能的微观机制，即“刚度降低”和“局部屈曲”的协同效应，这超出简单的减材思维，为主动致稳设计提供了新思路。第三，系统的集成性和概念验证的完整性：研究展示了一条从材料/力学基础研究、到多功能系统集成、再到疾病动物模型中进行闭环治疗应用的全链条创新路径，特别是3D-CURE贴片的设计，将实时感知、智能决策和按需治疗无缝集成，充分体现了该技术在解决实际临床问题上的高度先进性和可行性。