基于热烧结液态金属纳米颗粒的可变形生物电极阵列

以下文章来源于液态金属FM ，作者Yi & Open AI

将液态金属分散成微纳米颗粒可以避免其高表面张力带来的诸多图案化挑战，但需要进一步烧结破坏颗粒的氧化层来构建导电通路。然而，目前的烧结工艺存在液态金属泄漏和液滴集聚等问题。哈尔滨工业大学齐殿鹏教授和哈尔滨理工大学巩桂芬教授团队提出了一种热膨胀烧结的方法，该方法将热膨胀微球（TEMs）与液态金属纳米颗粒混合制备成墨水，当加热时，TEMs内部的碳氢化合物会挥发导致体积膨胀并破裂，进而在机械压力的作用下使得液态金属颗粒之间形成导电通路。作者利用这种方法制备了具有优异机电性能电极阵列，其可拉伸性高达680%，循环稳定性超过2×104，并且在高达6000rpm转速下保持导电稳定性。此外，采用与Ecoflex有高粘附性的离子弹性体进行电极封装，可以防止液态金属泄漏，并降低电极的电化学阻抗。最后，作者展示了电极阵列在肌电信号动态监测中的应用。这种热烧结策略扩展了液态金属在柔性生物电子器件中的应用前景，相关成果以“Thermal-Sinterable EGaIn Nanoparticle Inks for Highly Deformable Bioelectrode Arrays”为题发表在《Advanced Healthcare Materials》。

图1 a）生物电极制备示意图。b）装置结构示意图。c）生物电极的拉伸。d）高柔性和稳定共形到皮肤上的生物电极。

图2 a）镓铟合金纳米颗粒的扫描电镜图和b）透射电镜图。c）带氧化层的镓铟合金纳米颗粒的高分辨透射电镜图。d）热烧结机理的示意图。可烧结镓铟合金纳米颗粒墨水e）以及烧结之后f）的扫描电镜图。g）热烧结过程中的电流变化。

图3 a）离子弹性体在单轴拉伸时的归一化电阻变化。b）离子弹性体在100个循环拉伸下的电阻变化。c）是否带酯基的离子聚合物和Ecoflex之间的粘附力。d）粘附机理示意图。e，f，g）是否用离子弹性体封装的电极的阻抗以及相位角比较。h，i）封装了离子弹性体的电极在30天内以及不同应变状态下的阻抗。

图4 a）导电通路的拉伸应变电阻变化和b）应变控制疲劳试验。c）封装了离子弹性体之后的疲劳试验。d）电极在旋转时的电阻变化。

图5 a）前臂肌电信号采集示意图。b）生物电极获取的16通道EMG信号以及c）肌电信号时空分布图。d）生物电极和商用Ag/AgCl电极记录的代表性EMG信号。e，f）静态拉伸至100%记录的EMG信号。g、h）在肘部动态弯曲过程中记录的EMG信号。i、j）握拳摆臂时的EMG信号和加速度曲线。

文章信息：

Niu Y, Tian G, Liang C, et al. Thermal‐sinterable EGaIn Nanoparticle inks for Highly Deformable Bioelectrode Arrays[J]. Advanced Healthcare Materials, 2022: 2202531.

https://doi.org/10.1002/adhm.202202531

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