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。身邊有太多優秀的人，而且優秀得各不相同。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。”

而在前不久，其擔任第一作者的新論文發表在 Nature Electronics 上。研究中，他把微機電系統（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。”

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

1、把微機電系統引入瞬態電子器件“大家庭”

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

在醫療健康方面，當將其植入體內后，瞬態電子會在特定時長內持續發揮功能。待病人康復后，可在體內自行降解并被吸收，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，也降低了醫療成本。

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

近幾年來，學界在瞬態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了重大突破。

然而，要想真正實現與商用成熟產品相媲美的瞬態電子器件，就要解決一個重大難題：即如何把微機電系統引入到瞬態電子器件的“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，每年大約有 300 億個微機電器件被生產出來。然而，到目前為止并沒有任何關于瞬態微機電系統的報道，這主要是因為微機電系統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性，把這些結構和材料變成可降解的并實現相似的性能，更是難上加難。

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

除了 MEMS 器件的本身難點之外，MEMS 的封裝也是領域內“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；

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；

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，以便在環境保護和醫療健康方面實現安全使用。

在材料和器件結構層次上，楊權三所在課題組此前發現，硅的微米級乃至納米級的薄膜，可以在體內或者環境中緩慢降解，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，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 在環境和體內的工作有三大難點：

第一，當 MEMS 在環境里或者在體內，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，楊權三分別針對非接觸式和接觸式的可降解 MEMS，開發出兩套可降解的封裝系統。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 器件能夠穩定運行數天之久。

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 年發表于 Nature Materials。”

這一封裝材料有三大優勢：（1）可同時防止由于損壞或者降解導致的硅基碎片在體內到處流動，以避免損傷其他組織和器官；（2）對于大多數分子和蛋白質，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周之久。以上優勢可分別解決前面的三個難點。

近日，相關論文以《生態和生物可吸收的微機電系統》（Ecoresorbable and bioresorbable microelectromechanical systems）為題發表在 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 的系統性論文，內容的展示是杰出的”“整篇論文用系統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。”楊權三表示。

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

2、將生產高性能、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 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，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，當時我組內的師兄 Jan-Kai Chang 研發出一套轉印工藝，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 系統上。”

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品類似；同時，也將研發生態可持續的工藝，以便制備可降解的電子芯片。

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

他最后表示：“我們的目標是在近五年內利用可持續綠色的制備方法，生產出高性能、高集成度的可降解 MEMS/CMOS 芯片，以減輕病人的手術痛苦、以及減少環境中的電子垃圾。”

審核編輯 黃昊宇