研究背景

虽然灵活的电子产品的快速发展给我们的生活带来了便利，但随着这些设备的快速升级，世界各地的电子垃圾(E-waste) 数量也在增加。目前，每年产生的电子垃圾大大增加了对垃圾填埋场的需求，同时也造成了环境负担。电子垃圾的回收和处理被认为是一个全球性的问题，这对发展可持续系统提出了巨大的要求。电子垃圾问题可以部分归因于用于电子设备制造的不可降解合成聚合物。因此，鉴于电子垃圾问题的严重性，迫切需要开发环境友好型材料，以构建生态友好型、一次性、可生物降解的新型柔性电子产品。

与合成聚合物相比，天然生物源材料由于其独特的性能，被认为是构建下一代电子产品的有前途的构件。通常，天然生物源材料是自然发生在不同种类的生物体内，如微生物、动物和植物。与大多数合成材料相比，天然生物源材料具有吸引人的特性，包括环境友好性、自然丰富性、低成本、生物可降解性、生物相容性和加工过程中较少的能源消耗。迄今为止，许多研究已经研究了不同类型的生物源材料的应用，如多糖：纤维素、淀粉、甲壳素/壳聚糖和蛋白质：丝纤维素、胶原蛋白和明胶在柔性电子中的应用。与传统的不可降解的合成材料相比，使用这些可持续的生物源材料在环境保护方面有许多优点。此外，天然生物源材料还具有其他优势，如分层结构、形态多样性、和众多的功能基团，使它们对构建不同类型的柔性电子器件具有吸引力。

研究成果

在涉及健康监测、生物医学治疗和人机界面的各种应用中，柔性设备都是重要的智能界面。为了解决基于合成聚合物的电子设备使用量增加所造成的电子垃圾问题，具有环境友好性和可持续性的生物源材料为构建具有更高安全性和环境适应性的柔性电子设备提供了新的机会。在此，浙大应义斌教授和东华大学熊佳庆教授联合发表综述，简要介绍了各种类型的天然生物源材料的生物来源和独特的分子结构。系统地总结了它们的特性和加工技术。然后，介绍了这些材料在构建新兴智能柔性电子设备方面的最新进展，包括能量采集器、储能设备和传感器。此外，还总结了这些柔性电子装置的应用，包括生物医学植入物、人工电子皮肤和环境监测。最后，讨论了开发高性能生物源材料的柔性器件的未来挑战和前景。本综述旨在全面系统地总结基于天然生物源材料的柔性器件的最新进展，预计将为绿色柔性电子器件的开发提供灵感，为未来人机环境的互动架起桥梁。相关研究以“Sustainable Natural Bio-Origin Materials for Future Flexible Devices”为题发表在Advanced Science期刊上。

综述要点

1. 首先，强调了各种天然生物源材料的来源和化学结构；2. 总结了生物源材料在制造不同种类的柔性器件方面的功能和应用。3. 最后，讨论了基于生物源材料的设备的挑战和前景。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration showing the frame of this review.

Figure 2. Schematic illustration of structures and morphologies of different kinds of polysaccharides.

Figure 3. Schematic illustration of structures and morphologies of different kinds of protein.

Figure 4. TENGs based on different kinds of bio-origin materials.

Figure 5. PENGs and TEGs based on different bio-origin materials.

Figure 6. SCs based on different kinds of bio-origin materials.

Figure 7. Supercapacitors based on different kinds of bio-origin materials.

Figure 8. Batteries based on different kinds of bio-origin material.

Figure 9. Sensors based on different kinds of bio-origin materials.

Figure 10. Wireless communication devices based on different kinds of bio-origin materials.

总结展望

总之，生物源材料的优势，如丰富的可得性、生物相容性、可编程的生物降解性和环境友好性，使它们在构建生态友好型柔性设备方面具有广阔的前景。此外，由于加工技术的显著发展和生物源材料的多样化形态,研究人员已经探索了多种方法来制造具有独特结构和理想性能的功能材料。这些优势使它们成为传统无机材料或非生物降解合成聚合物的有前途的替代品，用于开发绿色柔性电子产品。在过去的几十年里，各种基于生物源材料的柔性设备在能源管理和信息通信领域取得了快速的发展。此外，生物源材料的降解行为允许构建生物可吸收电子器件，在生物医学植入物中显示出巨大的应用潜力。此外，其他多功能的应用，如人工电子皮肤和环境监测也可以实现。尽管基于生物源材料的柔性设备取得了重要进展，但仍有一些问题需要解决。

从材料的角度来看，生物源材料的大规模生产仍然是复杂和高能耗的。鉴于生物源材料的生产过程相对复杂，开发具有较大可扩展性的新型、经济的生产技术是非常可取的。此外，尽管生物源材料可以被制成柔性基材或用于柔性设备的电介质/三电层，但其他必要的功能成分如金属或导电聚合物将对设备的整体生物相容性构成限制。因此，需要进一步研究赋予生物源材料具体的特性，如导电性、电化学活性以及化学特性，这可以通过化学改性、元素替代和界面结构设计来实现。

从装置的角度来看，尽管已经制造了许多基于生物源材料的装置，但这些装置的应用仍然限于学术研究。制造基于生物源材料的柔性器件用于工业生产是未来可能的研究方向。对于储能装置，设计具有高质量负荷或孔隙制造的厚电极对于提高装置的能量密度是非常可取的。另一个挑战是植入式设备的电源问题。到目前为止，传统的电池通常被用于为植入式设备供电。然而，定期更换电池需要进行外科手术。

尽管压电或摩擦纳米发电机已经被用于体内应用，但它们不可能为设备提供足够和持续的能量。在这种情况下，开发可与能量采集器集成的可充电电池是提供足够和持续电源的一个可能的解决方案。目前，为解决基于天然生物源材料的植入设备的所有电源问题提出一个普遍的解决方案仍然具有相当的挑战性,整合各种电源选项的进展为多样化和便捷的生物医学系统提供了多功能平台。因此，未来的努力预计将集中在开发先进的集成技术，如表面或接口工程技术，以构建新的可持续系统，集成具有不同功能的各种设备，如发电、储能和传感能力。
在应用方面，基于生物源材料的柔性设备已被广泛用于不同领域，如生物医学植入物、人体运动检测等。然而，关于在园艺或农业中使用基于生物源材料的设备的出版物很少，这可以归因于柔性电子器件在这个领域一般不常见。然而，通过将植物与柔性传感器进行智能对接，利用柔性电子技术进行农业信息传感的趋势正在快速增长，这可以监测周围的微气候和植物的生理信息。然而，由于植物中相对复杂的信号通路，同时进行多种传感仍然是一项具有挑战性的任务。此外，对于智能农业系统来说，检索安装在耕地上的所有传感设备是很麻烦的，这意味着未被收集的传感设备可能会对环境或农田造成污染。因此，基于天然生物源材料制造现场和可降解/可回收的传感装置是建立智能和可持续农业系统的一个有前途的未来研究方向。

基于天然生物源材料，作者希望为未来柔性设备的可持续发展提出一个路线图，在天然材料的固有优势和“绿色“电子产品的可靠性能之间实现良好的平衡。这一概念将引导柔性设备的发展，从传统的可安装设备到新兴的粘性设备，以及理想的现场设备,减少对环境污染的担忧，缩小未来人机环境互动的技术差距。

文献链接

Sustainable Natural Bio-Origin Materials for Future Flexible Devices, Adv. Sci. 2022, 2200560https://doi.org/10.1002/advs.202200560