南洋理工大學陳曉東課題組Adv. Funct. Mater.：用于皮膚電子學的機械互鎖水凝膠-彈性體混合物

【引言】

軟電子產品在健康監測，人機界面和軟機器人方面的應用正吸引著巨大的關注。皮膚可附著的傳感器是可伸展電子設備的一種流行形式，它允許以無創方式連續記錄生理信號。已經確定粘附電極與皮膚的機械匹配是關鍵的設計方面。特別地，皮膚是楊氏模量在0.1-2 MPa范圍內的軟器官。具有與皮膚相似的機械性能的軟電極可以貼合地彎曲在彎曲的皮膚上，從而確保信號保真度和佩戴舒適度。聚合物由于其低的機械剛度而最適合用于軟電極。水凝膠是一種能夠包含大量水的聚合物網絡，由于其非凡的柔軟性和可拉伸性以及離子電導率和生物相容性，在生物電子領域引起了越來越多的關注。盡管離子電導率已用于各種電子應用，但實際應用仍需要電子傳導才能與外部設備無縫連接。因此，已經進行了許多努力來使水凝膠具有電子導電性。例如，將導電聚合物，金屬基納米線和碳納米材料摻入本體水凝膠中，形成導電復合材料。盡管成功地實現了導電性，但由于高剛度材料的體積載荷，不可避免地損害了本來柔軟而有彈性的水凝膠的機械性能。

【成果簡介】

南洋理工大學的陳曉東教授通過機械聯鎖報道了堅固的水凝膠-彈性體雜化物。機械互鎖結構不僅可以產生穩定的粘合，而且可以實現機械上柔軟且導電性高的電極。互鎖結構是通過將水凝膠前體滲透到多孔熱塑性聚氨酯（TPU）纖網中，然后進行熱固化來實現的。在水凝膠前體滲透之前，通過在TPU網上熱蒸鍍Au納米膜，賦予了導電性。混合電極顯示出機械柔軟性和自粘性。機械互鎖混合體中水凝膠和彈性體之間的結合強度達到50.9 J/m²，是物理連接結構的14.3倍。作者證明了混合電極可用作皮膚電電極，用于記錄包括肌電圖（EMG）和心電圖（ECG）在內的電生理信號。提出的策略是在柔性電極中實現機械柔軟性和電子導電性的有效方法，尤其是對于像水凝膠這樣的材料，無法通過常規電子加工技術進行加工時。該成果以題為“Mechanically Interlocked Hydrogel–Elastomer Hybrids for On-Skin Electronics”發表在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.機械互鎖電極的結構和制造過程示意圖

a）機械互鎖電極的示意圖。水凝膠被鎖定在導電的多孔彈性體纖維網中以形成混合結構

b）基于機械互鎖的混合電極的制造過程示意圖：I）通過TPU的電紡絲獲得多孔的TPU網；II）在TPU纖維網的表面上沉積金納米膜層；III）將水凝膠前體滲透到TPU/Au纖維網中，然后進行熱固化以實現機械互鎖的電極

圖2.TPU纖維網和機械互鎖混合纖維的形態和力學性能

a）靜電紡制厚度為55 μm的TPU纖維網的SEM圖像

b）機械互鎖的水凝膠-TPU雜化物的橫截面SEM圖像

c）互鎖層的放大截面SEM圖像

d）不同厚度的TPU纖維網的應力-應變曲線

e）不同纖網厚度的TPU纖網的楊氏模量

f）互鎖混合動力的應力-應變曲線。在混合結構中，TPU網和水凝膠的厚度分別為0.05和2 mm。在應力-應變曲線中出現了557％應變的拐點。這是因為混合型中的剛性TPU纖維網首先破裂，從而耗散了大量的破裂能量。

圖3.水凝膠的性能表征

a）90°剝離測試的粘合強度示意圖

b-d）b）互鎖雜種，c）HTWC和d）HTFC的剝離過程的光學圖像

e）互鎖雜件，HTWC和HTFC的水凝膠片每寬度上測得的剝離力。TPU纖維網的厚度約為83 μm

f）HTFC，HTWC和互鎖雜化物的界面韌性性能

g）不同TPU纖維網厚度的聯鎖雜種的界面韌性性能

圖4.機械互鎖的混合動力作為用于檢測肌電信號的皮膚電極的演示

a-c）互鎖式混合電極的光學圖像附著在手腕上a）處于靜止狀態，b）向內彎曲狀態和c）向外彎曲狀態；電極尺寸為25×10毫米。這些結果表明互鎖混合電極在機械上柔軟且具有高皮膚粘合性

d）使用附著在上臂上的互鎖混合電極進行EMG測量設置的光學圖像，電極尺寸的直徑為20 mm。將第三個參比電極放在手掌上

e）皮膚/互鎖電極，皮膚/TPU/Au電極和皮膚/商業電極的阻抗比較。測試是在相同面積的電極和間距為40 mm的條件下進行的

f）互鎖電極和TPU/Au電極檢測到的EMG信號

g）互鎖電極與TPU/Au電極的SNR比較h）互鎖電極在檢測EMG信號方面的持久性能。

i）不同周期數下互鎖電極的SNR比較

【總結】

在這個工作中，作者報道了通過將水凝膠與導電彈性體網組裝在一起而具有高電氣性能的機械互鎖的水凝膠-彈性體雜化體。機械互鎖結構是通過將水凝膠前體滲透到多孔TPU纖維網中，然后進行熱固化以形成水凝膠-TPU雜化體來實現的。雜化物在水凝膠和TPU之間顯示出高的結合強度。同時，混合電極保留了水凝膠的機械柔軟性和TPU/Au纖維網的高電導率，從而實現了與皮膚的低界面阻抗。所制造的混合電極可用作皮膚上電極，以可靠地記錄EMG和ECG信號。堅固的混合電極在多個周期后仍能很好地檢測信號。這個研究提供了一個新的觀點，即通過互鎖的界面層來橋接柔軟的聚合物基材和易碎的導電膜，從而獲得柔軟而高性能的電極。預計該策略通常適用于柔性電子產品。此外，通過引入互鎖結構將異種材料的獨特但互補的優點融合在一起，它可以在各個領域中獲得新的應用。

文獻鏈接：Mechanically Interlocked Hydrogel–Elastomer Hybrids for On-Skin Electronics. Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201909540.

本文由tt供稿編輯。?

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。