- 10秒“樂高式”組裝讓柔性器件性能更穩
- 來源：中國科學報 刁雯蕙 發表于 2023/2/27
柔性電子器件在人體健康監測、分析及可穿戴設備等生物醫學工程領域展現了廣闊的應用前景。然而，在柔性電子器件組裝中，用于連接不同模塊的商用導電膠容易變形、斷裂，導致接口不穩定，嚴重影響整個器件的拉伸性和信號質量。
近日，中科院深圳先進技術研究院研究員劉志遠與新加坡南洋理工大學教授陳曉東、美國斯坦福大學教授鮑哲南等合作，繞開了用“商業膠水”組裝柔性電子器件的思路，開發了一種基于雙連續納米分散網絡的新型柔性界面。它能夠作為柔性電子器件通常所包含的柔性模塊、剛性模塊以及封裝模塊的通用接口，只需按壓10秒，就可實現柔性電子器件“樂高式”的穩定組裝。相關研究成果發表于《自然》。
偶然發現的“魔術貼”
柔性電子器件大致可分為植入式和體表式兩種，主要用于采集應力信號、溫度信號、生理電信號等生理數據，以監測人體健康狀態。
“這些柔性電子器件一般都由不同模塊組裝而成，主要包括直接貼合人體的柔性傳感模塊、負責數據傳輸和運算的硅基微電子剛性模塊，以及保護器件免受機械磨損和外部侵蝕的封裝模塊。”論文通訊作者劉志遠介紹，由于這三種模塊的形狀參數、材料性質、加工條件不同，往往要先分開制備，再通過商用導電膠組裝在一起，構成不同功能的柔性電子器件。
然而，商用導電膠的瓶頸卻破壞了柔性電子器件的整體穩定性。
論文作者、美國斯坦福大學訪問博士后姜穎解釋說，無論單個模塊的拉伸性多好，只要模塊接口處的拉伸性很弱，整個器件的拉伸性就會受到制約。
“我們曾把研發的柔性電子器件放在大鼠體內，想長期監測它的動態生理信號。結果沒過幾天，柔性傳感模塊本身沒問題，接口卻在大鼠跑動過程中斷掉了。這樣的器件是很難在實際中應用的。”姜穎說，他們一直在試圖解決這個問題。
2017年，劉志遠正在論文通訊作者陳曉東課題組攻讀博士，其間到論文通訊作者鮑哲南課題組作訪問交流。在那里，他偶然發現，特定制備條件下，基于SEBS嵌段聚合物和黃金納米顆粒的柔性界面，即BIND界面，面對面貼合時有“魔術貼”式的電氣與機械雙重黏合特性，這是之前從未報道過的新現象。
回到新加坡后，劉志遠與同在陳曉東課題組攻讀博士的姜穎一起對這種新型柔性界面進行了深入研究。
讓柔性電子器件組裝靈活
他們很快發現，這種柔性界面能作為柔性模塊之間的接口，像“魔術貼”一樣將不同功能的柔性傳感器穩定黏合在一起，從而實現柔性模塊間的連接。
除了柔性傳感模塊外，柔性電子器件還需要組裝剛性模塊、封裝模塊等，但要將這些不同的模塊完整組裝在一起并發揮柔性電子器件的功能并非易事，特別是柔性模塊與剛性模塊之間的接口機械性能匹配度低，受到的應力集中和破壞程度高。
于是，他們采用OTS修飾等方法將BIND界面制備在硬質模塊上，讓硬質模塊能連接另一個有BIND界面的柔性模塊。
“這種方法的普適性很強，就像‘拼樂高’一樣，任何帶有BIND接口的模塊，只要面對面按壓在一起，就能把柔性電子器件更靈活組裝在一起。”姜穎說，“這可以匹配工業成熟的工藝，如柔性聚酰亞胺PCB。”
聯合團隊隨后通過原子力顯微鏡對其納米級力學性能進行了成像和辨識，并用分層俄歇電子能譜定量分析，得知其電氣與機械的雙重黏附來源于100納米深度內三維相互穿插的雙連續納米網絡，并基于分子動力學模擬構建了BIND界面的雙連續網絡生長機理，進而優化了它的電氣和機械性能。
為了驗證BIND接口在智能柔性醫療器件中的實際應用，聯合團隊制備了使用該接口組裝的植入式神經調控傳感系統，利用國家自然科學基金委重大科學儀器項目完成的體表多通道電生理信號傳感系統采集電生理信號。
實驗表明，采用新型接口的柔性醫療器件能高精度、高保真、抗干擾地監測體內外不同器官，如表皮、腦皮層、坐骨神經、腓骨肌肉、膀胱等，與商用導電膠組裝的器件相比系統信號質量大幅度提升。
據介紹，采用BIND界面的柔性模塊接口，其導電拉伸率可達180%、機械拉伸率可達600%，遠高于采用商用導電膠連接的普通接口（分別為45%、60%）；對于硬質模塊接口，其導電拉伸率達到200%，適用于聚酰亞胺、玻璃、金屬等多種硬質材料；對于封裝模塊接口，BIND界面能提供0.24牛頓每毫米的黏附力，是傳統柔性封裝的60倍。
有望應用于下一代智能柔性醫療器件
“毫無疑問，該團隊研發的柔性電子器件BIND接口，表征和應用都非常良好，其設計邏輯和實驗驗證令人印象深刻。”一位審稿人對該成果給予了高度評價。
事實上，他們在2021年9月把這一歷時5年的研究成果投稿到《自然》時，僅3天時間就收到了送審郵件，短短3個月內便收到了3位審稿人的意見。
“其中一位審稿人提及BIND界面中雙連續納米網絡結構的生長機理，這是一個很重要的建議。”姜穎回憶道，“因為我們研究的是一種新的納米結構，不限于研究‘是什么’‘怎么用’，還應該探討‘為什么’，從微觀機理的角度解釋宏觀實驗現象。”
對此，研究團隊與固體力學家、美國工程院院士高華健團隊合作，基于分子動力學模擬構建了BIND界面的雙連續網絡生長機理，解釋了聚合物流體襯底與高動量金屬原子之間的相互作用，得到了審稿人的認可。
在《自然》同期發表的研究簡報中，清華大學教授張一慧評論說，該工作提高了柔性電子接口的機械和電子穩定性，推動了電子皮膚、可植入器件等柔性電子器件的實際應用。
“該研究為智能柔性電子器件的模塊化組裝提供了可拉伸、穩定的通用接口，不僅簡化了柔性醫療器件的使用，而且加速了多模態、多功能柔性醫療器件的研發。”劉志遠說，“通過該接口組裝的智能柔性傳感器件可用于多個醫療領域，如植入式人機接口、體表健康監測、智能柔性傳感等。不過，它在重復使用性、空間分辨率、電導率、長期植入的生物相容性等方面還存在局限性。”
接下來，研究團隊將從生物醫學、分子動力學、有機合成等領域出發，研發下一代新型醫療器件的智能傳感材料，打造智能化、柔性化、交互式的人機接口傳感器件，應用于神經康復機器人及系統。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05579-z
（原載于《中國科學報》 2023-02-22 第1版 要聞）
- 如果本文收錄的圖片文字侵犯了您的權益，請及時與我們聯系，我們將在24內核實刪除，謝謝！
