基于双层液态金属复合涂层的可拉伸导电纤维

以下文章来源于液态金属FM ，作者Yi & OpenAI

导电纤维是一种将电学功能与纤维形态相结合的材料，具有广泛的应用前景，如智能可穿戴服装、智能缝合线和微创生物电子等。然而，传统的金属导线等导电纤维往往不具备柔软性和可拉伸性，难以与生物界面无缝集成，也容易发生疲劳断裂。为了解决这一挑战，许多研究者尝试将柔软可拉伸的纤维包覆一层导电填料，如碳纳米管、石墨烯和银纳米线/粒等，以赋予其电学功能。然而，这类固态导电填料包覆的纤维在受到拉伸时，会出现明显的电导率下降。

近年来，半固态液态金属颗粒（LMP）作为导电填料引起了人们的关注，它具有优异的电学性质和在拉伸下保持稳定电导率的能力。然而，如何实现LMP在纤维上的紧凑和稳定包覆仍然是一个持久的挑战，主要是由于传统的包覆技术与LMP之间的不兼容性。此外，LMP本身的耐久性较低和初始导电性缺失也限制了其广泛应用。

近日，韩国科学技术院的Steve Park等人基于剪切沉积的方法，制备了具有双层LMP结构的纤维涂层。作者首先利用剪切力将聚合物连接的LMP沉积在纤维上，形成了一层均匀而紧凑的LMP包覆层。然后，在LMP包覆层的外表面再涂覆一层CNT连接的LMP，形成了双层LMP复合材料。在剪切沉积过程中，溶液挥发形成高浓度的乙酸区域，使得LMP能够在纤维上聚集沉积并实现自烧结。这种双层结构不仅增强了LMP包覆层的机械稳定性和耐久性，而且无需经过烧结处理。此外，作者展示了该纤维在缝制电路、智能服装、可拉伸生物界面纤维和多功能纤维探针方面的应用，相关工作以“Conductance stable and mechanically durable bi-layer EGaIn composite-coated stretchable fiber for 1D bioelectronics”发表在《Nature Communications》上。

图1. BiLMP涂层纤维。a) BiLMP涂层纤维的示意图，纤维由两层组成：PaLMP（聚合物连接的LMP）和CaLMP（碳纳米管连接的LMP）。b) 与其他导电填料基纤维相比，BiLMP涂层纤维的初始电导率和敏感系数。c) 连接有LED的BiLMP涂层纤维的拉伸操作。d) BiLMP涂层纤维在外界摩擦下的耐久性。e) 一维生物电子用BiLMP涂层纤维实现的各种机械相互作用的图像（顶部）和作为植入式生物电子的记录和刺激界面的示意图（底部）。

图2. 悬浮剪切法在一维基底上沉积颗粒组装的LMP。a) 浸渍时LMP与纤维不相容性的示意图。b) 纤维上悬浮剪切涂覆LMP的示意图。颗粒能实现自组装以及烧结。c) 悬浮剪切时油墨的添加剂组合不同下薄膜的覆盖率。d) 不同涂层技术的填充率比较。e) 通过悬浮剪切的PaLMP涂层纤维的照片和SEM图像。

图3. BiLMP涂层纤维的拉伸性和机械耐久性。a) CaLMP、PaLMP和BiLMP的初始电导率比较。b) 三种导电纤维在应变下的相对电阻。c) BiLMP涂层纤维在10000次应变循环下的相对电阻。d) 用商品化透明胶带对三种薄膜进行剥离试验。CaLMP和BiLMP薄膜没有明显的剥离和残留物。e) BiLMP涂层纤维在胶带反复附着和分离下的电阻变化。f) 应变下通过LED的电流和BiLMP涂层纤维的电阻变化。g) 带有BiLMP涂层纤维的缝合电路的照片。h) BiLMP涂层纤维在商业布匹上的大面积集成的图像。i) BiLMP纤维集成智能服装的

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图4. 用于多功能1D生物电子学的BiLMP涂层纤维的神经记录和刺激。a) 用于电生理记录的BiLMP涂覆的记录纤维（BiLMP-R纤维）的图像和示意图。BiLMP-R纤维在b) 拉伸前和c) 拉伸后对CA1区自发活动的电生理记录。d) BiLMP-R纤维在拉伸之前（绿色）和之后（红色，20%应变）记录的重叠尖峰波形。e) 拉伸前后从BiLMP-R纤维记录的尖峰的PCA聚类。f) BiLMP多功能（细胞外记录、光刺激和药物递送）纤维装置（BiLMP-M纤维）的截面图像。g) 利用BiLMP-M纤维在10Hz和100Hz光学刺激下同时记录光学诱发电位（OEP）的电生理记录。h) 使用BiLMP-M纤维注射突触阻断剂（CNQX）后，OEP峰值电位随时间的抑制情况。插图：注射CNQX前后OEP的峰间振幅。i) 使用基于BiLMP的刺激线装置（BiLMP-S线）进行坐骨神经电刺激并同时记录EMG的示意图（左）和图像（右）。j) 诱发的EMG信号的峰值幅度与来自BiLMP-S线的注入电荷密度之间的相关性。插图：肌电信号的原始数据。k) 记录到的电极极化电压与施加的电流密度之间的关系。

文章信息：

Lee G H, Lee D H, Jeon W, et al. Conductance stable and mechanically durable bi-layer EGaIn composite-coated stretchable fiber for 1D bioelectronics[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 4173.

DOI: 10.1038/s41467-023-39928-x

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