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10秒“乐高式”组装让柔性器件性能更稳
来源:中国科学报 刁雯蕙 发表于 2023/2/27

   柔性电子器件在人体健康监测、分析及可穿戴设备等生物医学工程领域展现了广阔的应用前景。然而,在柔性电子器件组装中,用于连接不同模块的商用导电胶容易变形、断裂,导致接口不稳定,严重影响整个器件的拉伸性和信号质量。


  近日,中科院深圳先进技术研究院研究员刘志远与新加坡南洋理工大学教授陈晓东、美国斯坦福大学教授鲍哲南等合作,绕开了用“商业胶水”组装柔性电子器件的思路,开发了一种基于双连续纳米分散网络的新型柔性界面。它能够作为柔性电子器件通常所包含的柔性模块、刚性模块以及封装模块的通用接口,只需按压10秒,就可实现柔性电子器件“乐高式”的稳定组装。相关研究成果发表于《自然》。


偶然发现的“魔术贴”

  柔性电子器件大致可分为植入式和体表式两种,主要用于采集应力信号、温度信号、生理电信号等生理数据,以监测人体健康状态。


  “这些柔性电子器件一般都由不同模块组装而成,主要包括直接贴合人体的柔性传感模块、负责数据传输和运算的硅基微电子刚性模块,以及保护器件免受机械磨损和外部侵蚀的封装模块。”论文通讯作者刘志远介绍,由于这三种模块的形状参数、材料性质、加工条件不同,往往要先分开制备,再通过商用导电胶组装在一起,构成不同功能的柔性电子器件。


  然而,商用导电胶的瓶颈却破坏了柔性电子器件的整体稳定性。


  论文作者、美国斯坦福大学访问博士后姜颖解释说,无论单个模块的拉伸性多好,只要模块接口处的拉伸性很弱,整个器件的拉伸性就会受到制约。


  “我们曾把研发的柔性电子器件放在大鼠体内,想长期监测它的动态生理信号。结果没过几天,柔性传感模块本身没问题,接口却在大鼠跑动过程中断掉了。这样的器件是很难在实际中应用的。”姜颖说,他们一直在试图解决这个问题。


  2017年,刘志远正在论文通讯作者陈晓东课题组攻读博士,其间到论文通讯作者鲍哲南课题组作访问交流。在那里,他偶然发现,特定制备条件下,基于sebs嵌段聚合物和黄金纳米颗粒的柔性界面,即bind界面,面对面贴合时有“魔术贴”式的电气与机械双重黏合特性,这是之前从未报道过的新现象。


  回到新加坡后,刘志远与同在陈晓东课题组攻读博士的姜颖一起对这种新型柔性界面进行了深入研究。


让柔性电子器件组装灵活

  他们很快发现,这种柔性界面能作为柔性模块之间的接口,像“魔术贴”一样将不同功能的柔性传感器稳定黏合在一起,从而实现柔性模块间的连接。


  除了柔性传感模块外,柔性电子器件还需要组装刚性模块、封装模块等,但要将这些不同的模块完整组装在一起并发挥柔性电子器件的功能并非易事,特别是柔性模块与刚性模块之间的接口机械性能匹配度低,受到的应力集中和破坏程度高。


  于是,他们采用ots修饰等方法将bind界面制备在硬质模块上,让硬质模块能连接另一个有bind界面的柔性模块。


  “这种方法的普适性很强,就像‘拼乐高’一样,任何带有bind接口的模块,只要面对面按压在一起,就能把柔性电子器件更灵活组装在一起。”姜颖说,“这可以匹配工业成熟的工艺,如柔性聚酰亚胺pcb。”


  联合团队随后通过原子力显微镜对其纳米级力学性能进行了成像和辨识,并用分层俄歇电子能谱定量分析,得知其电气与机械的双重黏附来源于100纳米深度内三维相互穿插的双连续纳米网络,并基于分子动力学模拟构建了bind界面的双连续网络生长机理,进而优化了它的电气和机械性能。


  为了验证bind接口在智能柔性医疗器件中的实际应用,联合团队制备了使用该接口组装的植入式神经调控传感系统,利用国家自然科学基金委重大科学仪器项目完成的体表多通道电生理信号传感系统采集电生理信号。


  实验表明,采用新型接口的柔性医疗器件能高精度、高保真、抗干扰地监测体内外不同器官,如表皮、脑皮层、坐骨神经、腓骨肌肉、膀胱等,与商用导电胶组装的器件相比系统信号质量大幅度提升。


  据介绍,采用bind界面的柔性模块接口,其导电拉伸率可达180%、机械拉伸率可达600%,远高于采用商用导电胶连接的普通接口(分别为45%、60%);对于硬质模块接口,其导电拉伸率达到200%,适用于聚酰亚胺、玻璃、金属等多种硬质材料;对于封装模块接口,bind界面能提供0.24牛顿每毫米的黏附力,是传统柔性封装的60倍。


有望应用于下一代智能柔性医疗器件

  “毫无疑问,该团队研发的柔性电子器件bind接口,表征和应用都非常良好,其设计逻辑和实验验证令人印象深刻。”一位审稿人对该成果给予了高度评价。


  事实上,他们在2021年9月把这一历时5年的研究成果投稿到《自然》时,仅3天时间就收到了送审邮件,短短3个月内便收到了3位审稿人的意见。


  “其中一位审稿人提及bind界面中双连续纳米网络结构的生长机理,这是一个很重要的建议。”姜颖回忆道,“因为我们研究的是一种新的纳米结构,不限于研究‘是什么’‘怎么用’,还应该探讨‘为什么’,从微观机理的角度解释宏观实验现象。”


  对此,研究团队与固体力学家、美国工程院院士高华健团队合作,基于分子动力学模拟构建了bind界面的双连续网络生长机理,解释了聚合物流体衬底与高动量金属原子之间的相互作用,得到了审稿人的认可。


  在《自然》同期发表的研究简报中,清华大学教授张一慧评论说,该工作提高了柔性电子接口的机械和电子稳定性,推动了电子皮肤、可植入器件等柔性电子器件的实际应用。


  “该研究为智能柔性电子器件的模块化组装提供了可拉伸、稳定的通用接口,不仅简化了柔性医疗器件的使用,而且加速了多模态、多功能柔性医疗器件的研发。”刘志远说,“通过该接口组装的智能柔性传感器件可用于多个医疗领域,如植入式人机接口、体表健康监测、智能柔性传感等。不过,它在重复使用性、空间分辨率、电导率、长期植入的生物相容性等方面还存在局限性。”


  接下来,研究团队将从生物医学、分子动力学、有机合成等领域出发,研发下一代新型医疗器件的智能传感材料,打造智能化、柔性化、交互式的人机接口传感器件,应用于神经康复机器人及系统。


  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05579-z

  (原载于《中国科学报》 2023-02-22 第1版 要闻)


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