The development of a robust method for integrating high-performance semiconductors on flexible plastics could enable exciting avenues in fundamental research and novel applications. One area of vital relevance is chemical and biological sensing, which if implemented on biocompatible substrates, could yield breakthroughs in implantable or wearable monitoring systems. Semiconducting nanowires (and nanotubes) are particularly sensitive chemical sensors because of their high surface-to-volume ratios. Here, we present a scalable and parallel process for transferring hundreds of pre-aligned silicon nanowires onto plastic to yield highly ordered films for low-power sensor chips. The nanowires are excellent field-effect transistors, and, as sensors, exhibit parts-per-billion sensitivity to NO2, a hazardous pollutant. We also use SiO2 surface chemistries to construct a ‘nano-electronic nose’ library, which can distinguish acetone and hexane vapours via distributed responses. The excellent sensing performance coupled with bendable plastic could open up opportunities in portable, wearable or even implantable sensors.

Direct interfacing of nanosensors onto biomaterials could impact health quality monitoring and adaptive threat detection. Graphene is capable of highly sensitive analyte detection due to its nanoscale nature. Here we show that graphene can be printed onto water-soluble silk. This in turn permits intimate biotransfer of graphene nanosensors onto biomaterials, including tooth enamel. The result is a fully biointerfaced sensing platform, which can be tuned to detect target analytes. For example, via self-assembly of antimicrobial peptides onto graphene, we show bioselective detection of bacteria at single-cell levels. Incorporation of a resonant coil eliminates the need for onboard power and external connections. Combining these elements yields two-tiered interfacing of peptide–graphene nanosensors with biomaterials. In particular, we demonstrate integration onto a tooth for remote monitoring of respiration and bacteria detection in saliva. Overall, this strategy of interfacing graphene nanosensors with biomaterials represents a versatile approach for ubiquitous detection of biochemical targets. Graphene is characterized by unique physical properties that offer substantial promise, most notably for electronic applications. Mannooret al. present a wireless graphene-based sensor for detecting bacteria on a range of biological tissues.

The ability to three-dimensionally interweave biological tissue with functional electronics could enable the creation of bionic organs possessing enhanced functionalities over their human counterparts. Conventional electronic devices are inherently two-dimensional, preventing seamless multidimensional integration with synthetic biology, as the processes and materials are very different. Here, we present a novel strategy for overcoming these difficulties via additive manufacturing of biological cells with structural and nanoparticle derived electronic elements. As a proof of concept, we generated a bionic ear via 3D printing of a cell-seeded hydrogel matrix in the anatomic geometry of a human ear, along with an intertwined conducting polymer consisting of infused silver nanoparticles. This allowed for in vitro culturing of cartilage tissue around an inductive coil antenna in the ear, which subsequently enables readout of inductively-coupled signals from cochlea-shaped electrodes. The printed ear exhibits enhanced auditory sensing for radio frequency reception, and complementary left and right ears can listen to stereo audio music. Overall, our approach suggests a means to intricately merge biologic and nanoelectronic functionalities via 3D printing.

The development of a method for integrating highly efficient energy conversion materials onto soft, biocompatible substrates could yield breakthroughs in implantable or wearable energy harvesting systems. Of particular interest are devices which can conform to irregular, curved surfaces, and operate in vital environments that may involve both flexing and stretching modes. Previous studies have shown significant advances in the integration of highly efficient piezoelectric nanocrystals on flexible and bendable substrates. Yet, such inorganic nanomaterials are mechanically incompatible with the extreme elasticity of elastomeric substrates. Here, we present a novel strategy for overcoming these limitations, by generating wavy piezoelectric ribbons on silicone rubber. Our results show that the amplitudes in the waves accommodate order-of-magnitude increases in maximum tensile strain without fracture. Further, local probing of the buckled ribbons reveals an enhancement in the piezoelectric effect of up to 70%, thus representing the highest reported piezoelectric response on a stretchable medium. These results allow for the integration of energy conversion devices which operate in stretching mode via reversible deformations in the wavy/buckled ribbons.

The development of a method for integrating highly efficient energy conversion materials onto stretchable, biocompatible rubbers could yield breakthroughs in implantable or wearable energy harvesting systems. Being electromechanically coupled, piezoelectric crystals represent a particularly interesting subset of smart materials that function as sensors/actuators, bioMEMS devices, and energy converters. Yet, the crystallization of these materials generally requires high temperatures for maximally efficient performance, rendering them incompatible with temperature-sensitive plastics and rubbers. Here, we overcome these limitations by presenting a scalable and parallel process for transferring crystalline piezoelectric nanothick ribbons of lead zirconate titanate from host substrates onto flexible rubbers over macroscopic areas. Fundamental characterization of the ribbons by piezo-force microscopy indicates that their electromechanical energy conversion metrics are among the highest reported on a flexible medium. The excellent performance of the piezo-ribbon assemblies coupled with stretchable, biocompatible rubber may enable a host of exciting avenues in fundamental research and novel applications.

Abstract Electromechanical effects are ubiquitous in biological and materials systems. Understanding the fundamentals of these coupling phenomena is critical to devising next‐generation electromechanical transducers. Piezoelectricity has been studied in detail, in both the bulk and at mesoscopic scales. Recently, an increasing amount of attention has been paid to flexoelectricity: electrical polarization induced by a strain gradient. While piezoelectricity requires crystalline structures with no inversion symmetry, flexoelectricity does not carry this requirement, since the effect is caused by inhomogeneous strains. Flexoelectricity explains many interesting electromechanical behaviors in hard crystalline materials and underpins core mechanoelectric transduction phenomena in soft biomaterials. Most excitingly, flexoelectricity is a size‐dependent effect which becomes more significant in nanoscale systems. With increasing interest in nanoscale and nano‐bio hybrid materials, flexoelectricity will continue to gain prominence. This Review summarizes work in this area. First, methods to amplify or manipulate the flexoelectric effect to enhance material properties will be investigated, particularly at nanometer scales. Next, the nature and history of these effects in soft biomaterials will be explored. Finally, some theoretical interpretations for the effect will be presented. Overall, flexoelectricity represents an exciting phenomenon which is expected to become more considerable as materials continue to shrink.

Developing the ability to 3D print various classes of materials possessing distinct properties could enable the freeform generation of active electronics in unique functional, interwoven architectures. Achieving seamless integration of diverse materials with 3D printing is a significant challenge that requires overcoming discrepancies in material properties in addition to ensuring that all the materials are compatible with the 3D printing process. To date, 3D printing has been limited to specific plastics, passive conductors, and a few biological materials. Here, we show that diverse classes of materials can be 3D printed and fully integrated into device components with active properties. Specifically, we demonstrate the seamless interweaving of five different materials, including (1) emissive semiconducting inorganic nanoparticles, (2) an elastomeric matrix, (3) organic polymers as charge transport layers, (4) solid and liquid metal leads, and (5) a UV-adhesive transparent substrate layer. As a proof of concept for demonstrating the integrated functionality of these materials, we 3D printed quantum dot-based light-emitting diodes (QD-LEDs) that exhibit pure and tunable color emission properties. By further incorporating the 3D scanning of surface topologies, we demonstrate the ability to conformally print devices onto curvilinear surfaces, such as contact lenses. Finally, we show that novel architectures that are not easily accessed using standard microfabrication techniques can be constructed, by 3D printing a 2 × 2 × 2 cube of encapsulated LEDs, in which every component of the cube and electronics are 3D printed. Overall, these results suggest that 3D printing is more versatile than has been demonstrated to date and is capable of integrating many distinct classes of materials.

The development of methods for the 3D printing of multifunctional devices could impact areas ranging from wearable electronics and energy harvesting devices to smart prosthetics and human-machine interfaces. Recently, the development of stretchable electronic devices has accelerated, concomitant with advances in functional materials and fabrication processes. In particular, novel strategies have been developed to enable the intimate biointegration of wearable electronic devices with human skin in ways that bypass the mechanical and thermal restrictions of traditional microfabrication technologies. Here, a multimaterial, multiscale, and multifunctional 3D printing approach is employed to fabricate 3D tactile sensors under ambient conditions conformally onto freeform surfaces. The customized sensor is demonstrated with the capabilities of detecting and differentiating human movements, including pulse monitoring and finger motions. The custom 3D printing of functional materials and devices opens new routes for the biointegration of various sensors in wearable electronics systems, and toward advanced bionic skin applications.

The development of a method for efficiently harvesting energy from the human body could enable extraordinary advances in biomedical devices and portable electronics. Being electromechanically coupled, nanopiezoelectrics represent a promising new materials paradigm for scavenging otherwise wasted energy, with the ultimate goal of replacing or augmenting batteries. Of particular interest is developing biomechanical energy nanogenerators that are highly efficient, but with flexible form factors for wearable or implantable applications. This perspective presents an overview of the opportunities, progresses, and challenges in the rapidly accelerating field of nanopiezoelectrics. The combination of new nanomaterial properties, novel assembly strategies, and breakthrough device performance metrics suggests a rich platform for a host of exciting avenues in fundamental research and novel applications.

Advanced MaterialsVolume 24, Issue 8 p. 1067-1072 Communication Silk-Based Conformal, Adhesive, Edible Food Sensors Hu Tao, Hu Tao Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorMark A. Brenckle, Mark A. Brenckle Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorMiaomiao Yang, Miaomiao Yang Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorJingdi Zhang, Jingdi Zhang Department of Physics, Boston University, 590 Commonwealth Ave., Boston, MA 02215, USASearch for more papers by this authorMengkun Liu, Mengkun Liu Department of Physics, Boston University, 590 Commonwealth Ave., Boston, MA 02215, USASearch for more papers by this authorSean M. Siebert, Sean M. Siebert Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorRichard D. Averitt, Richard D. Averitt Department of Physics, Boston University, 590 Commonwealth Ave., Boston, MA 02215, USASearch for more papers by this authorManu S. Mannoor, Manu S. Mannoor Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University, Engineering Quad, Olden Street, Princeton, NJ 08544, USASearch for more papers by this authorMichael C. McAlpine, Michael C. McAlpine Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University, Engineering Quad, Olden Street, Princeton, NJ 08544, USASearch for more papers by this authorJohn A. Rogers, John A. Rogers Department of Materials Science and Engineering, Beckman Institute for Advanced Science and Technology, and Frederick Seitz Materials Research Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, USASearch for more papers by this authorDavid L. Kaplan, David L. Kaplan Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorFiorenzo G. Omenetto, Corresponding Author Fiorenzo G. Omenetto [email protected] Department of Biomedical Engineering, Department of Physics, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USADepartment of Biomedical Engineering, Department of Physics, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USA.Search for more papers by this author Hu Tao, Hu Tao Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorMark A. Brenckle, Mark A. Brenckle Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorMiaomiao Yang, Miaomiao Yang Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorJingdi Zhang, Jingdi Zhang Department of Physics, Boston University, 590 Commonwealth Ave., Boston, MA 02215, USASearch for more papers by this authorMengkun Liu, Mengkun Liu Department of Physics, Boston University, 590 Commonwealth Ave., Boston, MA 02215, USASearch for more papers by this authorSean M. Siebert, Sean M. Siebert Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorRichard D. Averitt, Richard D. Averitt Department of Physics, Boston University, 590 Commonwealth Ave., Boston, MA 02215, USASearch for more papers by this authorManu S. Mannoor, Manu S. Mannoor Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University, Engineering Quad, Olden Street, Princeton, NJ 08544, USASearch for more papers by this authorMichael C. McAlpine, Michael C. McAlpine Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University, Engineering Quad, Olden Street, Princeton, NJ 08544, USASearch for more papers by this authorJohn A. Rogers, John A. Rogers Department of Materials Science and Engineering, Beckman Institute for Advanced Science and Technology, and Frederick Seitz Materials Research Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, USASearch for more papers by this authorDavid L. Kaplan, David L. Kaplan Department of Biomedical Engineering, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USASearch for more papers by this authorFiorenzo G. Omenetto, Corresponding Author Fiorenzo G. Omenetto [email protected] Department of Biomedical Engineering, Department of Physics, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USADepartment of Biomedical Engineering, Department of Physics, Tufts University, 4 Colby St., Medford, MA 02155, USA.Search for more papers by this author First published: 20 January 2012 https://doi.org/10.1002/adma.201103814Citations: 303Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Graphical Abstract An array of passive metamaterial antennas fabricated on all protein-based silk substrates were conformally transferred and adhered to the surface of an apple. This process allows the opportunity for intimate contact of micro- and nanostructures that can probe, and accordingly monitor changes in, their surrounding environment. This provides in situ monitoring of food quality. It is to be noted that this type of sensor consists of all edible and biodegradable components, holding utility and potential relevance for healthcare and food/consumer products and markets. References 1 D. H. Kim, J. A. Rogers, Adv. Mater. 2008, 20, 24. 2 H. Kim, E. Brueckner, J. Song, Y. Li, S. Kim, C. Lu, J. Sulkin, K. Choquette, Y. Huang, R. G. Nuzzo, J. A. Rogers, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, 25. 3 J. Yoon, L. Li, A. V. Semichaevsky, J. H. Ryu, H. T. Johnson, R. G. Nuzzo, J. A. Rogers, Nat. Commun. 2011, 2, 343. 4 H. S. Kim, S. M. Won, Y. G. Ha, J. H. Ahn, A. Facchetti, T. J. Marks, J. A. Rogers, Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 183504. 5 D. H. Kim, J. H. Ahn, W. M. Choi, H. S. Kim, T. H. Kim, J. Song, Y. Huang, Z. Liu, C. Lu, J. A. Rogers, Science 2008, 320, 5875. 6 H. C. Ko, G. Shin, S. Wang, M. P. Stoykovich, J. W. Lee, D. H. Kim, H. S. Ha, Y. Huang, K. C. Hwang, J. A. Rogers, Small 2009, 5, 23. 7 P. M. Schweizer-Berberich, S. Vaihinger, W. Gopel, Sens. Actuators B 1994, 18, 282. 8 S. S. Deshapande, M. Cheryan, S. Gunasekaran, M. R. Paulsen, D. K. Salunkhe, F. M. Clydesdale, CRC Critical Rev. Food Sci. Nutrition 1984, 21, 323. 9 L. D. Mello, L. T. Kubota, Food Chem. 2002, 77, 237. 10 K. Arshak, E. Moore, G. M. Lyons, J. Harris, S. Clifford, Sens. Rev. 2004, 24, 181. 11 A. K. Deisingh, D. C. Stone, M. Thompson, Int. J. Food Sci. Technol. 2004, 39, 587. 12 N. Wang, N. Zhang, M. Wang, Computers Electron. Agriculture 2006, 50, 1. 13 D. H. Kim, J. Xiao, J. Song, Y. Huang, J. A. Rogers, Adv. Mater. 2010, 22, 19. 14 D. Y. Khang, H. Jiang, Y. Huang, J. A. Rogers, Science 2005, 311, 5788. 15 H. Theron, P. Venter, J. F. R. Lues, Food Res. Int. 2003, 36, 969. 16 F. G. Omenetto, D. L. Kaplan, Nat. Photon. 2008, 2, 641. 17 J. J. Amsden, P. Domachuk, A. Gopinath, R. D. White, L. Dal Negro, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, Adv. Mater. 2010, 22, 15. 18 D. H. Kim, J. Viventi, J. J. Amsden, J. Xiao, L. Vigeland, Y. Kim, J. Blanco, B. Panilaitis, E. Frechette, D. Contreras, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, Y. Huang, K. C. Hwang, M. R. Zakin, R. Litt, J. A. Rogers, Nat. Mater. 2010, 9, 6. 19 H. Tao, L. Chieffo, M. A. Brenckle, S. M. Siebert, M. Liu, A. C. Strikwerda, K. Fan, D. L. Kaplan, X. Zhang, R. D. Averitt, F. G. Omenetto, Adv. Mater. 2011, 23, 28. 20 S. Y. Lee, J. J. Amsden, S. V. Boriskina, A. Gopinath, A. Mitropolous, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, L. Dal Negro, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 27. 21 H. Tao, A. C. Strikwerda, M. Liu, J. P. Mondia, E. Ekmekci, K. Fan, D. L. Kaplan, W. J. Padilla, X. Zhang, R. D. Averitt, F. G. Omenetto, Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 261909. 22 E. L. Tan, W. N. Ng, R. Shao, B. D. Pereles, K. G. Ong, Sensors 2007, 7, 1747. 23 B. D. Lawrence, M. Cronin-Golomb, I. Georgakoudi, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, Biomacromolecules 2008, 9, 4. 24 H. Tao, J. J. Amsden, A. C. Strikwerda, K. Fan, D. L. Kaplan, X. Zhang, R. D. Averitt, F. G. Omenetto, Adv. Mater. 2010, 22, 32. 25 K. Tsioris, H. Tao, M. Liu, J. A. Hopwood, D. L. Kaplan, R. D. Averitt, F. G. Omenetto, Adv. Mater. 2011, 23, 17. 26 Unpublished results. Manuscript under preparation. 27 M. Soltani, R. Alimardani, M. Omid, J. Food Eng. 2011, 105, 4. 28 W. Guo, X. Zhu, H. Liu, R. Yue, S. Wang, J. Food Eng. 2010, 99, 344. 29 A. C. Nunes, X. Bohigas, J. Tejada, J. Food Eng. 2006, 76, 250. 30 R. A. Potyrailo, W. G. Morris, Anal. Chem. 2007, 79, 45. 31 M. Irimia-Vladu, P. A. Troshin, M. Reisinger, L. Shmygleva, Y. Kanbur, G. Schwabegger, M. Bodea, R. Schwodiauer, A. Mumyatov, J. W. Fergus, V. F. Razumov, H. Sitter, N. Serdar Sriciftci, S. Bauer, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 23. 32 R. Capelli, J. J. Amsden, G. Generali, S. Toffanin, V. Benfenati, M. Muccini, D. L. Kaplan, F. G. Omenetto, R. Zamboni, Organic Electronics 2011, 12, 7. Citing Literature Supporting Information Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Filename Description adma_201103814_sm_suppl.pdf3.9 MB suppl Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article. Volume24, Issue8February 21, 2012Pages 1067-1072 ReferencesRelatedInformation