Silk-Based Advanced Materials for Soft Electronics.

Matériaux avancés à base de soie pour l'électronique souple.

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2019
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Abstract
Soft bioelectronics that could be integrated with soft and curvilinear biological tissues/organs have attracted multidisciplinary research interest from material scientists, electronic engineers, and biomedical scientists. Because of their potential human health-related applications, soft bioelectronics require stringent demands for biocompatible components. Silk, as a kind of well-known ancient natural biopolymer, shows unique combined merits such as good biocompatibility, programmable biodegradability, processability into various material formats, and large-scale sustainable production. Such unique merits have made silk popular for intensive design and study in soft bioelectronics over the past decade. Due to the development of fabrication techniques in material processing and progress in research, silk has been engineered into a variety of advanced materials including silk fibers/textiles, nanofibers, films, hydrogels, and aerogels. Natural and regenerated silk materials can also be transformed into intrinsically nitrogen-doped and electrically conductive carbon materials, due to their unique molecular structure and high nitrogen content. The rich morphologies and varied processing options for silk materials can furnish transformed carbon materials with well-designed structures and properties. The favorable and unique material merits of silk materials and silk-derived carbon materials offer potential applications in soft electronics. Based on commercial silk fibers/textiles and the availability of re-engineered silk materials with versatile technological formats, functional soft electronics have been explored with silk as flexible biosupports/biomatrixes or active components. These soft systems include bioresorbable electronics, ultraconformal bioelectronics, transient electronics, epidermal electronics, textile electronics, conformal biosensors, flexible transistors, and resistive switching memory devices. Silk-derived carbon materials with rationally designed morphologies and structures have also been developed as active components for wearable sensors, electronic skins, and flexible energy devices, which provide novel concepts and opportunities for soft electronics. In this Account, we highlight the unique hierarchical and chemical structure of natural silk fibers, the fabrication strategies for processing silk into materials with versatile morphologies and into electrically conductive carbon materials, as well as recent progress in the development of silk-based advanced materials (silk materials and silk-derived carbon materials) for soft bioelectronics. The design and functionality of soft electronics developed with commercial silk fibers/textiles, re-engineered silk materials, and silk-derived carbon materials as biosubstrate/matrix and active components is introduced in detail. We further discuss future challenges and prospects for developing silk-based soft bioelectronics for wearable healthcare systems. By leveraging the unique advantages of silk-based advanced materials, the design and construction strategy for flexible electronics, as well as the potential of flexible electronics for conformable and intimate association with human tissues/organs, silk-based soft bioelectronics should have a significant impact on diverse healthcare fields.
La bioélectronique souple, susceptible d’être intégrée à des tissus ou organes biologiques mous et curvilinéaires, suscite un intérêt de recherche multidisciplinaire de la part des spécialistes de la science des matériaux, des ingénieurs en électronique et des chercheurs en sciences biomédicales. En raison de leurs applications potentielles dans le domaine de la santé humaine, les dispositifs bioélectroniques souples imposent des exigences strictes quant à la biocompatibilité de leurs composants. La soie, un biopolymère naturel ancien et bien connu, présente une combinaison unique d’atouts tels qu'une excellente biocompatibilité, une biodégradabilité programmable, une aptitude à la mise en forme sous divers formats de matériaux, ainsi qu’une production durable à grande échelle. Ces propriétés remarquables ont fait de la soie un matériau de choix pour une conception et une étude approfondies en bioélectronique souple au cours de la dernière décennie. Grâce au perfectionnement des techniques de mise en œuvre des matériaux et aux progrès de la recherche, la soie a été façonnée en une variété de matériaux avancés, notamment des fibres/textiles de soie, des nanofibres, des films, des hydrogels et des aérogels. Les matériaux en soie naturelle et régénérée peuvent également être convertis en matériaux carbonés intrinsèquement dopés à l’azote et électriquement conducteurs, en raison de leur structure moléculaire singulière et de leur teneur élevée en azote. La richesse des morphologies et la diversité des procédés de mise en œuvre de la soie permettent de conférer aux matériaux carbonés ainsi obtenus des structures et des propriétés précisément adaptées. Les atouts matériels favorables et uniques de la soie et des matériaux carbonés qui en sont dérivés ouvrent des perspectives prometteuses pour des applications en électronique souple. À partir de fibres/textiles de soie commerciaux et grâce à la disponibilité de matériaux de soie modifiés aux formats technologiques polyvalents, des dispositifs électroniques souples fonctionnels ont été développés en employant la soie en tant que biosupports/biomatrices flexibles ou en tant que composants actifs. Ces systèmes souples englobent l'électronique biorésorbable, la bioélectronique ultraconforme, l'électronique transitoire, l'électronique épidermique, l'électronique textile, les biocapteurs conformables, les transistors flexibles et les dispositifs de mémoire à commutation résistive. Des matériaux carbonés dérivés de la soie, dotés de morphologies et de structures rationnellement conçues, ont également été mis au point en tant que composants actifs pour des capteurs portables, des peaux électroniques et des dispositifs énergétiques flexibles, offrant ainsi de nouveaux concepts et de nouvelles perspectives pour l'électronique souple. Dans cette synthèse, nous mettons en lumière la structure hiérarchique et chimique unique des fibres de soie naturelle, les stratégies de fabrication permettant de transformer la soie en matériaux aux morphologies polyvalentes et en matériaux carbonés électriquement conducteurs, ainsi que les avancées récentes dans le développement de matériaux avancés à base de soie (matériaux de soie et matériaux carbonés dérivés de la soie) destinés à la bioélectronique souple. La conception et la fonctionnalité des dispositifs électroniques souples développés à partir de fibres/textiles de soie commerciaux, de matériaux de soie modifiés et de carbones dérivés de la soie, utilisés comme biosubstrats/matrices et composants actifs, sont présentées en détail. Nous abordons en outre les défis futurs et les perspectives de développement de la bioélectronique souple à base de soie pour les systèmes de santé portables. En exploitant les avantages uniques des matériaux avancés à base de soie, les stratégies de conception et d'intégration de l'électronique flexible, ainsi que la capacité de cette dernière à épouser intimement les tissus et organes humains, la bioélectronique souple à base de soie est vouée à exercer un impact majeur dans divers domaines des soins de santé.
Reference Key
wang2019silkbasedaccounts Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors Wang, Chunya;Xia, Kailun;Zhang, Yingying;Kaplan, David L;
Journal accounts of chemical research
Year 2019
DOI
10.1021/acs.accounts.9b00333
URL
Keywords
toxicity metabolites pyrolysis temperature sewage sludge biochars wheat growth

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