深受Nature\Science喜愛的柔性電子技術｜大牛來襲

柔性電子器件因其可在彎折、扭曲、折疊、拉伸等情況下仍能保持穩定的電學性能而成為當下科學研究的熱點之一。相比常規硬質器件，柔性電子器件在諸如柔性傳感器、可穿戴設備、能源存儲、植入醫療等領域有著廣泛的應用。本文梳理了最近相關的研究成果，供大家學習參考。

Science：高密度彈性電路的單片光學微光刻技術

高分子電子材料使柔軟和可伸縮的電子成為可能。然而，相對于硅基器件，由于缺乏一種通用的用于皮膚狀和彈性電路的微/納米制造方法，導致器件密度低，并行信號記錄和處理能力受限。美國斯坦福大學鮑哲南教授等人提出了一種單片光學微光刻工藝，該工藝通過連續紫外光觸發的溶解度調制直接形成一組彈性電子材料的微圖案。研究制作了通道長度為2微米的晶體管，密度為每平方厘米42,000個晶體管。制作了包含異或門和半加法器的彈性電路，兩者都是算術邏輯單元的基本組件。該工藝為實現復雜、高密度、多層彈性電路的晶片級制造提供了一條途徑，其性能可與剛性電路相媲美。 相關研究以“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”為題，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.abh3551

圖1 單片光刻高密度彈性電路

Nat. Electron.：應變不敏感的本征可拉伸的晶體管陣列

本質上可伸縮的電子設備可以與人體形成親密的界面，創造出可以用來監測生理信號而不限制運動的設備。然而，機械應變總是會導致器件的電子性能下降。在這里，斯坦福大學鮑哲南與芝加哥大學王思泓教授等人合作展示了可以使用全彈性體應變工程方法創建應變不敏感的本質可拉伸晶體管陣列，其中帶可調剛度的圖案化彈性體層被納入到晶體管結構中。通過改變彈性體的交聯密度，增加局部剛度的區域被引入，減少了器件活躍區域的應變。這種方法可以很容易地融入到現有的制造工藝中，用它來制造器件密度為340個晶體管的陣列，當拉伸到100%應變時，其性能變化的應變不敏感性小于5%。研究還表明，它可以用于制造應變不敏感電路元件，包括NOR門，環形振蕩器和高增益放大器，以穩定監測電生理信號。相關研究以“Strain-insensitive intrinsically stretchable?transistors and circuits”為題目，發表在Nat. Electron.上。DOI:?10.1038/s41928-020-00525-1

圖2 應變不敏感本征可拉伸晶體管陣列

Nat. Electron.：一種皮膚上的平臺，用于無線監測汗液的流量、累積損失和汗液溫度

監測出汗的流量、累積損失和溫度可以為診斷熱調節紊亂和熱應激相關疾病提供有價值的生理學見解。然而，在高時間分辨率下獲得這些參數的準確、連續估計仍然具有挑戰性。在這里，美國西北大學John A. Rogers教授等人報告了一個可以無線實時測量出汗率、排汗量和皮膚溫度的平臺。該方法結合了一個短而直的流體通道，在汗液從皮膚流出時捕捉到一個基于熱致動器和精密熱敏電阻的流量傳感器，該傳感器與汗液在物理上隔離，但與汗液存在熱耦合。該平臺使用藍牙低自動傳輸數據芯片上的能量系統。研究的方法還可以與先進的微流控系統和比色化學試劑集成，用于測量pH值和汗水中的氯化物、肌酐和葡萄糖的濃度。相關研究以“An on-skin platform for wireless monitoring of?flow rate, cumulative loss and temperature of?sweat in real time”為題目，發表在Nat. Electron.上。DOI: 10.1038/s41928-021-00556-2

圖3 用于遠程，皮膚上的汗率感應平臺的設計和工作原理

Nat. Mater.：滲透性超彈性液態金屬纖維氈實現生物相容性和整體可拉伸電子器件

可伸縮電子產品廣泛應用于各種應用，如可穿戴電子產品、皮膚電子產品、軟機器人技術和生物電子產品。傳統的彈性薄膜制造的可伸縮電子設備缺乏透氣性，不僅影響佩戴舒適性，長期佩戴會導致皮膚發炎，還限制了垂直方向設備集成的設計形式因素。在這里，香港理工大學鄭子劍教授等人報告了一種可伸縮的導體，它是通過簡單地涂敷或打印液態金屬到一個靜電紡絲彈性纖維墊子上制造的。將這種可拉伸導體稱為液態金屬纖維氈。液態金屬懸掛在彈性纖維之間，自組織成橫向網狀垂直屈曲結構，同時提供了高滲透性、可拉伸性、導電性和電穩定性。此外，該液態金屬纖維氈具有良好的生物相容性和對1800%應變的全向拉伸的智能適應性。研究演示了使用液態金屬纖維氈作為構建塊，以實現高滲透性，多功能單片可伸縮電子。相關研究以“Permeable superelastic liquid-metal fibre mat?enables biocompatible and monolithic stretchable?electronics”為題目，發表在Nat. Mater.上。DOI:?10.1038/s41563-020-00902-3

圖4 LMFM的超彈性機理

Nat. Biotechnol：完全植入式和生物可降解心臟起搏器，無需導線或電池

手術恢復期需要使用的臨時心臟起搏器包括經皮導聯和外化的硬件，有感染的風險，限制患者的活動能力，在取聯過程中可能損害心臟。在這里，美國西北大學John A. Rogers、Rishi K. Arora和喬治華盛頓大學Igor R. Efimov等人報道了一種無鉛、無電池、完全植入式心臟起搏器，用于術后心率和節律的控制，該起搏器在規定的操作時間內通過自然生物過程完全溶解和清除。我們的研究表明，這些設備提供了不同大小的小鼠、大鼠、兔子、犬和人類心臟模型的有效起搏，具有定制的幾何形狀和操作時間尺度，由無線能量傳輸提供動力。該方法克服了傳統臨時起搏裝置的主要缺點，可能為下一代術后臨時起搏技術奠定基礎。相關研究以“Fully implantable and bioresorbable cardiac?pacemakers without leads or batteries”為題目，發表在Nat. Biotechnol.上。DOI: 10.1038/s41587-021-00948-x

圖5 生物可降解心臟起搏器在小鼠、兔心臟和人類心臟組織上的體外演示

Nat. Mater.：雙相鎵-銦用于高度可拉伸的多層電子電路

可伸縮的電子電路對于軟體機器人、可穿戴技術和生物醫學應用至關重要。開發復雜的可伸縮電路需要在大應變下具有穩定導電性的新材料，以及軟與傳統(剛性)電子元件之間的低電阻界面。為了滿足這一需求，美國普渡大學Rebecca Kramer-Bottiglio等人引入了雙相Ga-In，這是一種可印刷的導體，具有高導電性(2.06 × 10⁶?S m^?1)、極高的可拉伸性(> 10000%)、應變時電阻變化可忽略不計、循環穩定性(超過1500次循環的穩定性能)和可靠的接口和剛性電子器件。研究采用一種可伸縮的轉移打印工藝來創建各種可伸縮的電路板組件，這些電路板組件在拉伸時保持其性能，包括多層發光二極管顯示器、放大電路和用于可穿戴傳感應用的信號調理板。雙相Ga-In與可伸縮制造方法的兼容性、與現成電子元件的健壯接口和電氣/機械循環穩定性，使已建立的電路板組件可以直接轉換為柔軟和可伸縮的形式。相關研究以“Highly stretchable multilayer electronic circuits?using biphasic gallium-indium”為題目，發表在Nat. Mater.上。DOI: 10.1038/s41563-021-00921-8

圖6 雙相GaIn可伸縮的電路板組件

Sci.?Adv.：貼合皮膚的無線傳感器，可客觀量化瘙癢癥狀

瘙癢是一種常見的臨床癥狀和主要驅動疾病相關的發病率在各種醫療條件。一個尚未得到滿足的重要需求是對瘙癢的客觀、準確的測量。西北大學John A. Rogers教授等人創造性地提出了一種非侵入性技術，可以通過柔軟、易彎曲且無線的傳感器客觀地量化抓撓行為。該ADAM（Advanced Acousto-Mechanic）傳感器能夠捕獲具有臨床級數據質量的生理過程的振動和運動信號，并能從手背捕獲抓撓的聲學、力學特征。通過從健康受試者收集的數據驗證的機器學習算法表明，相對于基于智能手表的方法，其性能優越。在一組中重度特應性皮炎患兒中，臨床驗證包括46個共378.4小時的睡眠夜。數據表明其準確率為99.0%(敏感度84.3%，特異性99.3%)。這項工作表明了與應用相關的廣泛能力，從評估導致瘙癢的藥物療效到監測疾病的嚴重程度和治療反應。相關研究以“A skin-conformable wireless sensor to objectively quantify symptoms of pruritus”為題目，發表在Sci. Adv.上。DOI: 10.1126/sciadv.abf9405

圖7 ADAM傳感器和信號輸出

Nat. Commun.：自供電超柔性光子皮膚通過穩定的聚合物發光二極管實現生物信號的連續檢測

超柔性光學器件由于其與人體皮膚的良好契合性，在下一代可穿戴電子產品中得到了廣泛的應用。長期健康監測還需要將超柔性光學設備與能量收集電源相結合;使設備自供電。然而，由于超柔性聚合物發光二極管的空氣運行穩定性不足，使得超柔性光學傳感器與電源的系統級集成具有挑戰性。在這里，東京大學Takao Someya等人開發了一個超靈活的自供電有機光學系統，通過結合空氣運行穩定的聚合物發光二極管，有機太陽能電池和有機光電探測器來監測光體積圖。超柔性聚合物發光二極管采用倒置結構和摻雜聚乙烯亞胺乙氧基化層，在空氣中運行11.3 h后仍保持70%的初始亮度。聚合物發光二極管的光強指數為0.98，線性度高。這種自供電、超柔性光體積描記傳感器監測每分鐘77次的血液脈搏信號。相關研究以“Self-powered ultraflexible photonic skin for?continuous bio-signal detection via air-operation stable polymer light-emitting diodes”為題目，發表在Nat. Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-021-22558-6

圖8 超靈活，自供電光體積描記傳感器

AFM：無電池無線智能傷口敷料用于傷口感染監測和按需給藥

通過智能傷口敷料實時監測傷口狀態并提供及時治療是治療傷口感染和加速愈合進程的一種有前途的方法。為了建立閉環監測和治療系統，浙江大學劉清君教授等人利用柔性電子技術開發了一種完全集成的、無電池的、無線的智能傷口敷料，用于傷口感染檢測和按需給藥。該創面敷料集成了近場通信模塊，通過小型化電路和智能手機，實現無線電源采集和數據傳輸、現場信號處理和藥物輸送控制。該傳感器可同時檢測傷口的溫度、pH值和尿酸，以評估傷口狀況。同時，敷料中的給藥電極通過電控抗生素給藥提供感染治療所需。通過體外抗菌實驗和原位動物研究表明，該敷料能有效抑制細菌生長，加速傷口愈合，充分驗證了其在傷口治療中的有效性。利用近場通信和柔性電子的優勢，傳感和治療的無電池集成設計為開發集監測、診斷和治療為一體的閉環生物醫學系統提供了一個很有前途的解決方案。相關研究以“Battery-Free and Wireless Smart Wound Dressing for?Wound Infection Monitoring and Electrically Controlled?On-Demand Drug Delivery”為題目，發表在AFM上。DOI: 10.1002/adfm.202100852

圖9 可拉伸電極陣列的設計與制備

文中所述如有不妥之處，歡迎評論區留言~

本文由Junas供稿。

本內容為作者獨立觀點，不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

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.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。