哈佛大学刘嘉课题组：弹性体作为介电层其电化学阻抗在生物电子器件应用中的基本局限性

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生物电子学的一大目标是实现生物体和电子器件的无缝共存，但这并不容易，因为电子器件通常需要保持干燥、需要依靠电子流动传输信号，而生物则是柔软、湿润、充满着各式各样的离子运动。因此，紧密包裹整个器件、隔绝电子器件与生物组织界面直接接触的封装，介电材料---生物电子器件的“皮肤”---发挥着重要作用。作为良好的封装材料，需要同时具备以下三大特性：第一、材料的力学性质需要与生物组织接近，使得形成的材料-界面能够保持长期的力学稳定，第二、材料的化学，温度稳定性强，能抵御复杂的生理环境的变化，第三、材料需要对电子和离子的运动具有优良的阻隔性，从而最大限度的避免电学信号长距离传输中的损耗和生物体内离子向电子器件的流动和侵蚀。近期研究表明，使用有机弹性体材料制备的封装材料足够软、机械相容性足够强，且在生理环境中十分稳定，可以满足上述的前两大特性。

然而，这类弹性材料在生物环境中作为电子、离子绝缘屏障的性能究竟如何，人们并没有系统的研究过？在近期发表在Nano Letter杂志上，题为Fundamental Limits to the Electrochemical impedance Stability of Dielectric Elastomers in Bioelectronics一文中，来自哈佛大学的刘嘉课题组对常见绝缘弹性体材料（聚二甲基矽氧烷（PDMS）、苯乙烯-乙烯/二烯块状共聚物（SEBS）、聚异丁烯（PIB））在生理环境下的电学性质进行了系统的表征和研究。

图1：有机弹性体材料在生理环境中的电学封装表现。a.传统生物电压传感系统图示。b.图a的等效电路示意图。c.本文中运用的电化学阻抗谱表征法的等效电路示意图。d. 三种常见绝缘弹性体材料在生理环境中100赫兹时的阻抗，随时间推移的变化。

如图1a、b所示，传统的生物电压传感系统一般由生物体内的传感电极、引线和体外的放大器组成，其中引线部分必须被作为封装的介电材料完全包裹，从而降低电学信号在生理环境中传输时遭受的环境噪声和损耗。介电材料对引线的绝缘性能通常用电化学阻抗表征。在本文中，研究者运用了电化学阻抗谱的方法来模拟和表征多种材料在生理环境下的电学封装性能（图1c）。研究发现，上述三种常见绝缘弹性体材料在生理环境中100赫兹时的阻抗，随时间推移都会显著降低，意味着其电学封装性能会随着时间不断下降。

图2：有机弹性体材料中离子扩散的表征和模拟结果。a.图1d中弹性体材料的厚度在生理环境中随时间的变化。b.SEBS在不同离子浓度生理盐水中的奈奎斯特图谱。插入图放大展示了该图谱的高频段结果。c.由图2b得到的在不同生理环境中SEBS内的离子导电率。d.分子动力学模拟得到的钠离子在PIB和SU-8（一种传统环氧聚合物封装材料）内、不同温度条件下的均方位移。e.分子动力学模拟得到的水分子、钠离子和氯离子在PIB内的离子扩散系数。f.在本文实验条件下（图1c）推算出的有机弹性体材料内的离子浓度随生理盐水中离子浓度的变化。

进一步实验结果显示，弹性体材料的电化学阻抗在生理环境中的降低遵循离子在溶液中扩散的规律（图2a），且弹性体中的离子导电性随周围离子的浓度呈线性增长（图2b、c）。分子动力学模拟结果（图2d、e）进一步证实了弹性体材料的电化学阻抗在生理环境中快速降低的主要机理为溶液中的离子在弹性体材料内扩散。研究发现，在生物体液中浸泡数十小时后，弹性体材料中的离子浓度要远远高于未经浸泡的弹性体材料（图2f）。

图3：基于有机弹性体封装材料的微纳电极在生理环境中的电信号传输损耗研究。a.用于计算带宽的等效电路图。b.本次研究用到的微纳电极尺寸图示。c-e.图3b所示电极尺寸下，运用有机弹性体作为封装材料，电信号传输随距离的衰减（c），以及不同频率电信号传输的衰减（d=1000Hz，e=100Hz）。

基于以上结果，研究者开发了一个基于多种变量的模型来预测运用有机弹性体作为封装材料对于微纳米尺度电极在生理环境的电信号损耗影响。模拟显示，由弹性体内离子扩散所导致的漏电流最终会彻底阻止电信号在相关频率的有效传输（图3c-e）。

本文总结了一个重要信息：在研究者们热衷于使用有机弹性体替代传统环氧聚合物、无机氧化物作为生物电学器件封装材料的同时，不应仅仅关注其优越的力学和化学性质，更应该小心仔细的探究该材料在生理环境下的离子、电子阻断能力，不然则会极大影响最终的传感性能。

美国哈佛大学工程与应用科学学院的刘嘉助理教授为本文的通讯作者。哈佛大学博士生Paul Le Floch为本文第一作者。参与该工作的还有哈佛大学的Nicola Molinari博士后、南科望博士后、Boris Kozinsky副教授、锁志刚教授等。该工作得到了美国国家自然科学基金、哈佛大学微纳米加工中心等机构的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03705

哈佛大学刘嘉课题组

https://liulab.seas.harvard.edu/

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