对于可穿戴生物电子或体内植入生物电子，许多人一直有这样一个期待：那就是希望它能像人体一样软弹坚韧，可以和我们的肉体完美地兼容。对于柔性可拉伸生物电子来说，一个很重要的组成部分便是可拉伸导体。如果把一个柔性可拉伸生物电子系统比喻成一栋“变形大厦”，生物电子就是里面的“弹性砖头”。“弹性砖头”可以联合其他材料构建诸多的“功能单元”，比如传感器、换能器、通讯模块、电路和连接线，最后建成整座“大厦”。目前在制备“弹性砖头”时，人们普遍基于弹性体、以及铜、银、碳等各种传统固态导电微纳材料的复合。这些固态导电材料本身不具有拉伸性，虽然这种“弹性砖头”在弹性聚合物的帮助之下，能够承受一定的应力或应变。但是，经过长期或剧烈的应力应变, 比如上万次伸缩或者 2 倍以上拉伸，“弹性砖头”就会产生很多微裂纹，导致电学断裂或物理断裂，最终引发“功能单元”或“整个大厦”的瘫痪或倒塌。同时，这些可拉伸导体和传统固态微电子的连接也面临着巨大挑战。传统的焊锡高温焊接并不适用于这种软-硬连接，因为软电子既不耐高温，和焊锡也不兼容。而基于聚合物的导电胶，固然能和软电子兼容，但是难以实现精细微焊接。对于接口来说，它也容易在长期或剧烈力学刺激之下，出现类似的裂纹和电学断裂。后来人们开始从液态金属身上寻找方案。液态金属——之所以拥有这样的名字组合，是因为它既拥有固态金属的导电性，也拥有液体的流动性。因此，它本身具有变形的能力。比如，大家熟知的水银汞便是液体金属的典型代表，而我们采用的是另一种生物安全性更好的镓铟合金。如果利用液态金属材料去代替固态导电材料构建“弹性砖头”，虽然有望解决上述问题，但是液态金属存在一些很难驾驭的特点，那就是它有着较大的表面张力和一定的氧化能力。液态金属就像一个超级爱动的“小朋友”，很难乖乖让它按照某个姿态待在某个地方。当把液态金属块体碎成很多小颗粒，颗粒表面会产生一层氧化物，虽然有利于操控也能阻碍进一步氧化，但会导致整体不导电。所以，针对长期或剧烈力学刺激的稳定性问题、以及软-硬连接的问题，目前基于液态金属的可拉伸导体，都尚未得到很好的解决方案。正是基于上述背景，新加坡国立大学博士后陈书文和同事造出了一种液固双层可拉伸导体。构建液固双层可拉伸导体，无惧上万次伸缩和 22 倍拉伸这种液固双层可拉伸导体，基于液态金属、液态金属颗粒和弹性聚合物。制备时，并不是一层层地平铺实现，而是在剥离过程中自动形成的。在液固双层可拉伸导体原材料上，课题组采用液态金属微纳颗粒和高极性弹性体的复合油墨配制而来，它可以和很多基底兼容，因此很容易对其加以操控，印刷成形之后是一层绝缘的复合物。将带有前驱体的基底从粘性胶上剥离时，在剥离过程中产生的应力，会自动驱使这种单层绝缘体向双层导电体转变。从而形成一种特殊结构：上层是液态金属膜，下层是固态复合物。其中：上层的液态金属膜有利于自动进行软-硬连接。这时只需将固态电子放在液固双层可拉伸导体上面，按压之后固态电子引脚就会自动伸入上层液态金属膜之中，从而实现电学连接。下层固态复合物则有利于稳定液固双层可拉伸导体和基底的连接。因此即便历经上万次伸缩和 22 倍拉伸，液固双层可拉伸导体也没有出现裂纹和明显的电学衰减。特别有意思的是，当它受到刀伤出现裂缝时，下层的液态金属颗粒会开始破裂，从而将里面的液态金属释放出来自动弥补缺口，进而立即恢复电学性能。因此，液固双层可拉伸导体可以像皮肤一样软弹坚韧，既可以稳定地承受长期或剧烈的力学刺激，又可以方便快速地实现软-硬电子连接。对于本次工作，审稿人认为和领域内的已有论文相比，本次论文的水平位于该类论文的前 15%。审稿人之一认为课题组仅仅通过剥离就能得到这种奇特的液固双层可拉伸导体。在它的电学性能上，它对于应力展现出了非常强的鲁棒性，这对于可拉伸电子来说十分有吸引力。审稿人之二认为这种液固双层可拉伸导体兼具自焊接能力和自愈合能力，在大形变之下存在几乎不变的电导率和电阻。整体来看，这种液固双层可拉伸导体能用于构建加热器、无线系统、可拉伸传感器、可拉伸显示器、可拉伸加热器，进而构建基于可拉伸生物传感的人机交互系统等。对于这种人机交互系统来说，其中一个很典型的应用场景便是用于监测心脏电生理图。房颤，是一种常见的心律失常，通常发生在心脏的心房部分。当一个人发生房颤时，心房跳动不再遵循正常的有序方式，而是以不规则、且快速的方式跳动着，这可能导致心脏无法将血液充分泵入心室，增加患者出现血栓、中风和其他心血管问题的风险。对于严重型慢性房颤患者来说，特别是药物治疗无效或已经出现无法耐受的患者，医生可能会建议进行电生理研究和消融术，即通过电生理研究来确定异常的心脏组织，然后通过心脏消融手术来摧毁或隔离上述组织，从而帮助恢复心脏节律的正常。而此前使用的传统方法通常涉及到导管技术，其中导管上的电极可被用于定位异常的电活动源，以帮助恢复正常的心律。这些导管电极由于空间分辨率极低，因此无法以高通量的方式，绘制心外膜的电生理状态，特别是对于多点心外膜组织的异常定位存在很大挑战。而采用液固双层可拉伸导体，则能做成心脏大小的电极阵列网，铺在或套在心脏上进行全心脏的电生理监测，并且可以随着心脏跳动而发生适应性形变，助力于实现快速、高效、高分辨的定位异常组织。那么，陈书文和同事启动本次工作的背后有着怎样的来龙去脉？据介绍，担任本次论文一作的她刚来到该团队时，根据课题组和自己的研究背景，将柔性可拉伸生物电子定位自己的研究方向。此前，该团队曾利用注射液态金属进入导管，研发出一些精细的纤维传感器。因此，陈书文打算尝试使用规模化打印的方式来制备一些生物电子。来新加坡之前，陈书文曾接触过基于固态微纳材料的可拉伸导体，深知其中存在的一些问题。了解到液态金属的流动性以及形变性之后，她认为液态金属作为一种非常有前途的材料，或许可以解决这些问题。刚开始在弹性基底上印刷油墨时频出 Bug。新加坡的气候湿度很高，油墨刚铺到基底上还没等形成完整的图案，弹性体就析出了；要么就是干燥的图案还没拉伸或者轻微一拉就有出现很多裂纹。于是，他们尝试更换了许多种弹性体，不断地调整油墨的比例，最终配置出一种能和水相对兼容的油墨，并解决了容易出现开裂的问题。但是，看似完美无瑕的印刷电路却不导电。课题组先是用拉力去激活油墨，结果导电率依旧不高；后又用压力激活，结果发现这种接触会破坏电路图案。后来，他们又尝试参杂少量的固态导电纳米线，以求连接形成更广泛的导电网络从而提高导电效果，结果还是非常不理想。再后来，他们又尝试使用非接触超声应力来代替压力或拉应力，但却再次铩羽而归。后来，陈书文索性将样品从粘性材料上撕下来后，结果发现电导率异常的高，上面还能形成一层闪闪发光的液态金属膜。而且电路原有的图案也没有被破坏，这让整个课题组十分惊喜。通过力学分析他们发现这个剥离过程，可以很好地集合拉力和压力。同时还不用接触样品，因此能够极大程度地保持原有图案。此外，他们还发现这种液固双层结构在和固态电子连接时，直接压上去就可以形成很好的软硬连接，哪怕受到刀口伤害也能自行愈合。紧接着，陈书文和同事开始不断探索本次成果在传感、人机交互、可穿戴等领域的用途。最终，相关论文以《基于高度可拉伸双层液态金属导体的超高应变不敏感集成混合电子学》（）为题发在 Advanced Materials[1]。陈书文是第一作者，东盟工程技术学院院士、新加坡工程学院院士、新加坡科学院院士、美国国家发明科学院院士、新加坡国立大学生物医学工程系以及研究院院长林水德教授（）担任通讯作者。图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）“事实上，在所有工作快要结束时，林教授一直在问还有其他应用么？他是一个工程出身的人，在他的带领下我们课题组已经衍生很多初创公司。”陈书文说。因此，希望有一天他们也能将这项工作产业化，所以他一直在挖掘这项工作的潜在应用，并希望陈书文和同事做出能影响千家万户的产品，最后服务于生物医学和人类生活。与此同时，陈书文也被这种精神深深感染，她也意识到自己的工作还没做完，距离导师的期待还有一定距离。即不能仅仅发现一些科学知识和工程知识，并在技术上得到验证就完事。而是要把这些科学和技术转化成真正有用的产品。所以，接下来还要研发面向特定医学应用场景的生物电子系统，并经过大量的动物实验和临床实验验证，最终得到终端用户的认可，才算完成导师的心愿。因此，尽管本次论文已经发表，但是相关工作还在延续。“我相信终有一天我会完成他的心愿，因为这个心愿也早已在我心底生根发芽。”陈书文说。另据悉，陈书文硕士毕业于北京纳米能源与系统研究所，指导老师包括院士和教授。博士则毕业于华中科技大学，导师是国家杰出青年科学基金获得者周军教授。目前，她在新加坡国立大学医疗健康创新与科技研究院（iHealthtech）从事博后研究，师从前文的教授。陈书文表示，科研是一条艰辛的路，她很庆幸这一路遇到很多优秀的领路人。回首过往，一些教诲依然在耳边回荡：比如经常对她和同学讲“科研有时是千里走单骑，可能会很孤独，但认定了就要坚持”；周军曾告诉她和同学“做科研，不要做浪花一朵，要做就要做灯塔一样的工作，要敢于啃硬骨头”；则经常向她和同事嘱咐“we need to do some impactful works, not just papers（我们要做有影响力的工作，而不仅仅是追求发论文）”。陈书文说，她常想人生如蜉蝣，倏忽而逝，而自己要过什么样的一生，要做什么样的科研？她希望在暮年之时，能够认可自己的一生，认可自己的事业。她继续说道：“导师们虽然性格迥异，但对我的影响是全方位的，有的老师教会我享受科研的孤独与欣喜，有的老师教会我坚持兴趣和探索未知，有的老师教会我重视技术和产业转化。至今，我距离他们的期待依然很远，希望在未来的科研路上，我能够带着他们的教诲不断拾取智慧，做出更有影响力并造福中国乃至全人类的工作。”同时，她也将继续坚持本心，做有价值、有意义的科研，一步一个脚印拓展科学认知和技术积累。通过在柔性生物电子领域的创新，去服务人类健康和智能生活。”
参考资料：
1.Chen, S., Fan, S., Qi, J., Xiong, Z., Qiao, Z., Wu, Z., ... & Lim, C. T. (2023). Ultrahigh Strain‐Insensitive Integrated Hybrid Electronics Using Highly Stretchable Bilayer Liquid Metal Based Conductor. Advanced Materials, 35(5), 2208569.