南京大学孔德圣教授团队 Sci. Adv.: 用于动态器官检测的本征可拉伸电子器件
本征可拉伸电子器件与生物组织具有更好的机械匹配性，使其在长期植入的应用中降低了引发生物系统免疫反应的风险。传统的可植入电子器件由于柔性电子材料性能的限制，往往不能兼顾电学性能和变形能力。液态金属具有优秀的导电性能和流动性，是极佳的本征可拉伸导电材料，但是当前其在可植入器件中的应用依然面临易受生理环境腐蚀，加工困难等挑战。
近期，南京大学现代工程与应用科学学院的孔德圣教授团队针对液态金属在生物电子应用所面临的挑战，提出了新型的结构设计方案（图1-A,B），发展了基于液态金属的可拉伸传感电极阵列，该电极阵列可通过低成本、快速加工的流程完成制备，具有高达400%的拉伸应变能力(图1-C,D)和优秀的电学性能，在生物体内检测方面展现了巨大的应用价值，拓展了液态金属在可拉伸植入电子的应用范围。该研究以题为“Intrinsically stretchable electronics with ultrahigh deformability to monitor dynamically moving organs”的论文发表在最新一期《Science Advances》上，南京大学现代工程与应用科学学院研究生王绍磊为本文第一作者，孔德圣教授和宁兴海教授为共同通讯作者。
图1 本征可拉伸的电极传感阵列
作者首先基于液态金属与铜的合金化反应浸润原理，发展了液态金属在弹性基底表面的图案化的工艺流程（图2A-C）。通过电化学性能、力学拉伸性能测试，证明通过SEBS高分子弹性体的包封可将液态金属与外界电解质环境进行离子交换隔绝，且该液态金属电极保持了超高的可拉伸能力，最大拉伸可达800%（如图2D-F）。之后为实现液态金属与外界的电学导通，作者基于多壁碳纳米管在弹性高分子中的混合分散工艺，制备了电化学性能稳定的可拉伸导电复合材料作为电极。该电极通过多壁碳纳米管在SEBS弹性体中分散形成的互相连接的三维网络结构，实现了良好的导电性，电导率达到1.1S/cm，同时在50%、100% 和150%拉伸应变下电阻增长分别为3、12和35倍。该碳纳米复合材料可通过模板印刷的方式在弹性体表面进行图案化制备（图3-A），图案化精度可达100微米。电化学性能测试结果证明了该导电复合材料具有极其稳定的电化学性能（如图3-C），可作为植入器件的传感电极界面材料。
图2 液态金属的图案化工艺及性能表征
图3 可印刷的导电碳纳米复合材料
在发展的液态金属图案化工艺和电化学性能稳定的导电复合材料的基础上，作者采用新型的结构设计（图4-A），通过逐层加工的工艺流程，制备了可拉伸的传感电极阵列。并通过电化学沉积工艺，在电极阵列表面修饰了微裂纹状的导电聚合物PEDOT:PSS，显著降低了电极界面阻抗（图4-B）。由于该电极阵列采用全弹性材料制备，且电极区域与传感阵列整体存在弹性模量差异，因此应力状态下的应变分布存在空间差异，进一步保证了整体的超高可拉伸性，在400%应变下单个电极的阻抗依然远低于1×104Ω。测试证明该可拉伸电极阵列具有优秀的疲劳寿命，在10000次拉伸应变循环后传感电极阻抗基本保持不变。
图4 可拉伸传感电极阵列的电学、力学性能测试
图5 牛蛙的体内测试
图6 家兔的体内测试
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5511
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