基于薄膜工程的 3D 轴向微流体系统自组装：可调聚酰亚胺膜用于生物电能
应用物理
2026-04-24 v2
摘要
三维 (3D) 微系统的薄膜自组装为集成复杂功能提供了通用的路径，但用于集成可调离子导电元件的策略仍有限。我们引入一种应变诱导的自组装平台，将 lithographically 图案化的多层薄膜转化为功能的 3D 轴向 Swiss-roll 微管，活性总体积小于 1 uL。关键创新在于单体集成可化学调节的聚酰亚胺质子交换膜，使其在制造后可针对离子传输进行优化，在质子传输与中介阻挡之间进行平衡。我们进一步实现双模式运行方案，解耦微生物代谢与电化学能量收集，揭示常规结构中主要失效机制为生物污渍，而非化学污渍或膜降解。关键的是，经最佳处理的聚酰亚胺膜在污渍后表现出优异的可恢复性，而无细胞模式运行通过物理排除微生物于微电子环境，维持稳定性能。该集成生物-电子微系统在体积功率密度达约 3.1 mW cm-3，占据极小的 4.16 mm2 面积。我们的工作为创建用于自主微系统的可调、3D 生物电力源提供了可扩展的薄膜工程方法。
引用
@article{arxiv.2602.09981,
title = {Thin-Film-Engineered Self-Assembly of 3D Coaxial Microfluidics with a Tunable Polyimide Membrane for Bioelectronic Power},
author = {Aleksandr I. Egunov and Hongmei Tang and Pablo E. Saenz and Dmitriy D. Karnaushenko and Yumin Luo and Chao Zhong and Xinyu Wang and Yang Huang and Pavel Fedorov and Leandro Merces and Minshen Zhu and Daniil Karnaushenko and Oliver and G. Schmidt},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.09981},
year = {2026}
}