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两位顶尖大牛强强联手nature electronics!
小奇 纳米人 2022-12-05

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下一代可穿戴和可植入电子设备应该能够贴合人体组织的柔软和动态表面。目前最先进的柔性电子设备可以弯曲以层压在三维表面上,但很难与经常发生大变形的表面保持紧密接触。为了适应和变形,需要由生物相容性弹性导体组成的装置。这些导体尤其应该是可拉伸的、透气的和耐用的,同时保持稳定的导电性。


日本理化学研究所takao someya、kenjiro fukuda和南洋理工大学陈晓东等人报告了一种微米厚的超薄弹性导体,它具有强大的电气和机械性能。通过控制在1.3 μm厚的聚二甲基硅氧烷 (pdms) 基底上热蒸发的金膜中微裂纹的形态来创建导体。由此产生的 pdms-金导体可以在曲线动态表面上拉伸和变形,同时保持稳定的导电性。成果发表在nature electronics上。


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图|用于皮肤和植入式传感器的微裂纹 pdms——金弹性导体


在弹性导体的设计中探索了三种主要策略

1弹性体基板上金属薄膜的结构工程;

2本质上可拉伸的导体(例如液态金属)的图案化;

3以及导电填料和可拉伸聚合物的复合共混。


其中,由于所得导体的高导电性,结合金属膜的基于结构的方法很普遍。将金属薄膜图案化为蛇形和网状结构很常见,但之前也已证明在 pdms 上自主形成的金微裂纹结构可提供出色的导电性和循环应变耐久性。尽管这些微裂纹结构具有良好的导电性和应变弹性,但一个限制是它们的生长需要pdms基板在真空沉积过程中发生热膨胀。该研究的一项关键创新是引入了一个临时的 100 μm 厚的 pdms 基板,在金的热蒸发过程中,1.3 μm厚的 pdms 层位于该基板上。该技术导致金层中三支状微裂纹的均匀生长。


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图|微裂纹形态形成的机制和机械/电气表征


在设计用于皮肤和植入式传感器应用的生物相容性弹性导体时,厚度是一个需要考虑的重要因素

1)首先,更薄的弹性导体更透气。具有低透气性的皮肤可穿戴设备可以防止汗液和挥发性有机化合物从皮肤蒸发,从而可能引起刺激和不适。高度透气的微裂纹导体的失水速度为 11.9 mg h–1 mm–2,高于人体皮肤典型的经表皮失水速度 (4–10 mg h–1 mm–2)。

2接下来,更薄的弹性导体在变形过程中对人体组织施加的机械应力更小。如果拉伸的弹性导体对人体组织施加很大的张力,就会出现不适和并发症。然而,超薄导体仅需要38.9 mn 的小力即可实现 100% 变形。

3最后,超薄设备的硬度较低,可以更好地贴合曲面,从而改善传感器接触和性能。


虽然导体的厚度在决定生物相容性方面起着重要作用,但拉伸性和耐用性仍然是弹性导体的主要标准。高拉伸性对于与组织形成保形接触并允许在动态表面上不受限制地运动至关重要。它还可以防止在处理过程中任何应变引起的损坏。尽管超薄,但由该研究团队开发的导体可以拉伸高达 300% 并承受 20 克的重量,而不会失去其高导电性。它还可以在 100% 的拉伸应变下进行拉伸和释放测试后保持其电阻,在 5,000 次循环后仅发生1.7% 的变化


通过添加 22 nm厚的离子导电粘合剂聚合物层,导体可以与人的皮肤形成无缝接触,并能够承受剧烈的皮肤变形和强力水冲洗。经过 8 小时的长时间磨损(包括剧烈运动)后,电极仍然完好无损,可以传输高质量的心电图信号。该导体还被设计成 3 μm厚的多层可穿戴传感器,用于测量动脉脉搏波。


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图|基于超薄导体的皮肤传感器


此外,该导体被用作神经调节和神经信号记录的植入式神经电极,其超薄外形意味着它可以紧紧包裹在大鼠神经组织周围,没有任何气隙。为了测试神经调节能力,使用电极通过刺激坐骨神经的不同分支选择性激活肌肉组织。为了测试神经信号记录能力,电极被用来记录复合神经动作电位,以响应大鼠爪子的皮下电刺激。


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图|基于超薄导体的植入式神经接口


最终,弹性导体被组装成可拉伸的电子设备。在该研究中,弹性导体被用于连接到外部测量电路的可拉伸生物传感器,但弹性导体也被广泛用作刚性电子元件之间的可拉伸互连,形成刚性岛状可拉伸电路。可伸缩天线和可伸缩半导体设备的开发也需要弹性导体,这最终可能会导致完全可伸缩的电子设备。不同的应用对弹性导体的要求不同。例如,皮肤上的传感可能受益于更薄的弹性导体以改善接触和舒适度,但如果用于可植入设备,更薄的导体可能容易退化。在设计弹性导体时有许多考虑因素,应继续探索各种材料和结构以创建下一代设备。


参考文献:

jiang, z., chen, n., yi, z. et al. a 1.3-micrometre-thick elastic conductor for seamless on-skin and implantable sensors. nat electron 5, 784–793 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41928-022-00868-x

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