芝加哥大学王思泓教授团队《自然·通讯》:像生物组织一般柔软的电子器件

近年来，可拉伸电子器件作为可穿戴设备或是植入式设备为健康监测、疾病治疗甚至基础生物研究方面提供了强有力的平台。其关键在于减小了电子设备与人体皮肤/组织之间的机械差异（如拉伸性）以顺应皮肤或者组织上产生的应变从而实现稳定集成。然而，目前大部分研究工作集中在实现电子设备的可拉伸性，但在降低与柔软组织的模量差异方面进展较为缓慢。虽然实现可拉伸性通常伴随着杨氏模量的降低，但这些可拉伸电子材料（如导体和半导体）和器件的模量仍然比大多数柔软生物组织高出3到4个数量级。因此，进一步减小这种模量差异对于实现与生物组织适应性强且长期稳定的界面至关重要。

芝加哥大学王思泓团队针对可拉伸电子器件开发了一种具有普适性的设计方案，通过在高分子导体、高分子半导体功能层与超软水凝胶基底之间添加一层柔性中间层来实现超低模量器件的同时保持较高的拉伸性。通过这种特殊的设计，高模量的功能层在较大应变条件下能够减缓其中裂纹的扩张以保持较高的电学性能。并且结合超软的水凝胶基底，该团队展示了模量低于10 kPa的可拉伸场效应晶体管阵列，其柔软度比起已报道的可拉伸晶体管器件低了两个数量级。

图1 柔软生物组织与电子材料和器件之间的模量差异以及超柔软电子器件的实现方案

得益于器件的超低模量特性，这种超软电子器件在适应不规则表面方面表现出更优异的性能。尽管并未使用带粘性的基底材料，超低的模量使得该器件能够更好地贴合于动态的不规则表面（例如皮肤表面）。另一方面，当可拉伸电子器件集成到柔软物体表面时，这种超低模量特性则尽可能地减少了对柔软表面所施加的约束，进而不阻碍原有物体的运动过程。

图2超低模量器件的对柔软表面的贴附性能以及约束的研究

基于这种设计的超柔软器件在体内生物相容性测试中也证明了抑制长期植入的免疫排斥反应。并且在对孤立小鼠心脏的电生理记录实验中，这种超软器件的设计使得记录过程保持相对稳定的状态，减少器件在心脏表面的位移所带来的信号偏差。此外，通过对心室内压力的监控，该超软器件相比于常用弹性体为基底的器件在较大程度上减少了对心脏跳动的干扰。

图5 超低模量器件的生物相容性测试

这一创新对于未来柔性电子学领域具有重要意义，为开发更灵活、适应性更强的电子设备提供了新的思路。该研究以“Achieving tissue-level softness on stretchable electronics through a generalizable soft interlayer design”为题发表在了《自然·通讯》上（Nat. Commun. 14, 4488 (2023)），第一作者为芝加哥大学博士生李阳。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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