Electronic skin devices capable of monitoring physiological signals and displaying feedback information through closed-loop communication between the user and electronics are being considered for next-generation wearables and the ‘Internet of Things’. Such devices need to be ultrathin to achieve seamless and conformal contact with the human body, to accommodate strains from repeated movement and to be comfortable to wear. Recently, self-healing chemistry has driven important advances in deformable and reconfigurable electronics, particularly with self-healable electrodes as the key enabler. Unlike polymer substrates with self-healable dynamic nature, the disrupted conducting network is unable to recover its stretchability after damage. Here, we report the observation of self-reconstruction of conducting nanostructures when in contact with a dynamically crosslinked polymer network. This, combined with the self-bonding property of self-healing polymer, allowed subsequent heterogeneous multi-component device integration of interconnects, sensors and light-emitting devices into a single multi-functional system. This first autonomous self-healable and stretchable multi-component electronic skin paves the way for future robust electronics. Self-reconstruction of conducting nanostructures assisted by a dynamically crosslinked polymer network enables the fabrication of autonomous self-healable and stretchable multi-component electronic skin.

Human skin relies on cutaneous receptors that output digital signals for tactile sensing in which the intensity of stimulation is converted to a series of voltage pulses. We present a power-efficient skin-inspired mechanoreceptor with a flexible organic transistor circuit that transduces pressure into digital frequency signals directly. The output frequency ranges between 0 and 200 hertz, with a sublinear response to increasing force stimuli that mimics slow-adapting skin mechanoreceptors. The output of the sensors was further used to stimulate optogenetically engineered mouse somatosensory neurons of mouse cortex in vitro, achieving stimulated pulses in accordance with pressure levels. This work represents a step toward the design and use of large-area organic electronic skins with neural-integrated touch feedback for replacement limbs.

Significance Organic electronics, particularly polymers, can be synthesized and processed with low temperatures and, more importantly, have the potential to be environmentally benign candidates for electronic applications. However, there has been no report of totally decomposable polymer semiconductors. Their availability will enable low-cost and fully disintegrable transient electronics. We have developed an innovative concept based on imine chemistry that allows totally disintegrable and biocompatible semiconducting polymers. Using an ultrathin biodegradable substrate, we successfully fabricated polymer transistors and logic circuits that show high performance and are ultralightweight, but they can be fully disintegrable. Our work significantly advances organic materials to enable environmentally friendly and biointegrated electronic applications.

Significance Despite a large body of work, little is known about the origin or underlying mechanisms of how cells interact with surface topographic patterns, which has resulted in a primarily phenomenological approach in studying cell–nanotopography interactions. This study illustrates that membrane curvatures induced by nanoscale surface topography can serve as a direct biochemical signal to activate curvature-sensing protein and regulate actin polymerization and mechanotransduction in the intracellular space.

The measurement of electrical activity across systems of excitable cells underlies current progress in neuroscience, cardiac pharmacology, and neurotechnology. However, bioelectricity spans orders of magnitude in intensity, space, and time, posing substantial technological challenges. The development of methods permitting network-scale recordings with high spatial resolution remains key to studies of electrogenic cells, emergent networks, and bioelectric computation. Here, we demonstrate single-shot and label-free imaging of extracellular potentials with high resolution across a wide field-of-view. The critically coupled waveguide-amplified graphene electric field (CAGE) sensor leverages the field-sensitive optical transitions in graphene to convert electric potentials into the optical regime. As a proof-of-concept, we use the CAGE sensor to detect native electrical activity from cardiac action potentials with tens-of-microns resolution, simultaneously map the propagation of these potentials at tissue-scale, and monitor their modification by pharmacological agents. This platform is robust, scalable, and compatible with existing microscopy techniques for multimodal correlative imaging.

Noninvasive control of axonal cargos in live neurons is a challenging prospect that can enable novel research on the mechanisms of axonal cargo transport, cargo-mediated signaling and axonal traffic jams in neurons. However, conventional techniques for force manipulation such as optical traps are limited to a few micronsized cargos and are not applicable to the small axonal cargos in live neurons. Here, we present a new methodology that permits the external control of axonal endosome transport via tailored magnetic forces. By culturing neurons in a microfluidic device made up of microfabricated magnetic arrays, we can exert 3 to 48 pN forces on retrograde axonal endosomes carrying fluorescent magnetic nanoparticles, 100 to 260 nm in size. The magnetic force counters the forces exerted by molecular motors driving the endosomes and results in a wide range of perturbations on endosome transport in axons. These perturbations, captured by oblique illumination fluorescence imaging, reveal new insights on the collective function of dyneins and the nature of paused and stationary states during retrograde endosome transport in axons. Most notably, we demonstrate controllable capture and release of retrograde endosomes in axons by toggling the external magnetic field. This technical advance has great potential to elucidate the spatiotemporal origins of long-distance endosome signaling pathways as well as the ramifications of axonal traffic jams in neurons.

Abstract Understanding how a network of interconnected neurons receives, stores, and processes information in the human brain is one of the outstanding scientific challenges of our time. The ability to reliably detect neuroelectric activities is essential to addressing this challenge. Optical recording using voltage-sensitive fluorescent probes has provided unprecedented flexibility for choosing regions of interest in recording neuronal activities. However, when recording at a high frame rate such as 500-1000 Hz, fluorescence-based voltage sensors often suffer from photobleaching and phototoxicity, which limit the recording duration. Here, we report a new approach, Electro-Chromic Optical REcording (ECORE), that achieves label-free optical recording of spontaneous neuroelectrical activities. ECORE utilizes the electrochromism of PEDOT:PSS thin films, whose optical absorption can be modulated by an applied voltage. Being based on optical reflection instead of fluorescence, ECORE offers the flexibility of an optical probe without suffering from photobleaching or phototoxicity. Using ECORE, we optically recorded spontaneous action potentials in cardiomyocytes, cultured hippocampal and dorsal root ganglion neurons, and brain slices. With minimal perturbation to cells, ECORE allows long-term optical recording over multiple days.

Abstract Drug-induced cardiotoxicity arises primarily when a compound alters the electrophysiological properties of cardiomyocytes. Features of intracellular action potentials (iAPs) are powerful biomarkers that predict proarrhythmic risks. However, the conventional patch clamp techniques for measuring iAPs are either laborious and low throughput or not suitable for measuring electrically connected cardiomyocytes. In the last decade, a number of vertical nanoelectrodes have been demonstrated to achieve parallel and minimally-invasive iAP recordings. Nanoelectrodes show great promise, but the large variability in success rate, signal strength, and the low throughput of device fabrication have hindered them from being broadly adopted for proarrhythmia drug assessment. In this work, we developed vertically-aligned and semi-hollow nanocrown electrodes that are mechanically robust and made through a scalable fabrication process. Nanocrown electrodes achieve >99% success rates in obtaining intracellular access through electroporation, allowing reliable and simultaneous iAP recordings from up to 57 human pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs). The accuracy of nanocrown electrode recordings is validated by simultaneous patch clamp recording from the same cell. Nanocrown electrodes enable prolonged iAP recording for continual monitoring of the same cells upon the sequential addition of four to five incremental drug doses. In this way, the dose-response data is self-referencing, which avoids the cell-to-cell variations inherent to hPSC-CMs. We are hopeful that this technology development is a step towards establishing an iAP screening assay for preclinical evaluation of drug-induced arrhythmogenicity.