近年來(lái)，可拉伸電子器件作為可穿戴設(shè)備或是植入式設(shè)備為健康監(jiān)測(cè)、疾病治療甚至基礎(chǔ)生物研究方面提供了強(qiáng)有力的平臺(tái)。其關(guān)鍵在于減小了電子設(shè)備與人體皮膚/組織之間的機(jī)械差異（如拉伸性）以順應(yīng)皮膚或者組織上產(chǎn)生的應(yīng)變從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定集成。然而，目前大部分研究工作集中在實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的可拉伸性，但在降低與柔軟組織的模量差異方面進(jìn)展較為緩慢。雖然實(shí)現(xiàn)可拉伸性通常伴隨著楊氏模量的降低，但這些可拉伸電子材料（如導(dǎo)體和半導(dǎo)體）和器件的模量仍然比大多數(shù)柔軟生物組織高出3到4個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，進(jìn)一步減小這種模量差異對(duì)于實(shí)現(xiàn)與生物組織適應(yīng)性強(qiáng)且長(zhǎng)期穩(wěn)定的界面至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，芝加哥大學(xué)王思泓團(tuán)隊(duì)針對(duì)可拉伸電子器件開(kāi)發(fā)了一種具有普適性的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)在高分子導(dǎo)體、高分子半導(dǎo)體功能層與超柔性水凝膠基底之間添加一層柔性中間層來(lái)實(shí)現(xiàn)超低模量器件的同時(shí)保持較高的拉伸性。通過(guò)這種特殊的設(shè)計(jì)，高模量的功能層在較大應(yīng)變條件下能夠減緩其中裂紋的擴(kuò)張以保持較高的電學(xué)性能。并且結(jié)合超柔性的水凝膠基底，該團(tuán)隊(duì)展示了模量低于10 kPa的可拉伸場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列，其柔軟度比起已報(bào)道的可拉伸晶體管器件低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖1 柔軟生物組織與電子材料和器件之間的模量差異以及超柔性電子器件的實(shí)現(xiàn)方案

得益于器件的超低模量特性，這種超柔性電子器件在適應(yīng)不規(guī)則表面方面表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。盡管并未使用帶粘性的基底材料，超低的模量使得該器件能夠更好地貼合于動(dòng)態(tài)的不規(guī)則表面（例如皮膚表面）。另一方面，當(dāng)可拉伸電子器件集成到柔軟物體表面時(shí)，這種超低模量特性則盡可能地減少了對(duì)柔軟表面所施加的約束，進(jìn)而不阻礙原有物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖2 超低模量器件對(duì)柔軟表面的貼附性能以及約束的研究

基于這種設(shè)計(jì)的超柔性器件在體內(nèi)生物相容性測(cè)試中也證明了抑制長(zhǎng)期植入的免疫排斥反應(yīng)。并且在對(duì)孤立小鼠心臟的電生理記錄實(shí)驗(yàn)中，這種超柔性器件的設(shè)計(jì)使得記錄過(guò)程保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，減少器件在心臟表面的位移所帶來(lái)的信號(hào)偏差。此外，通過(guò)對(duì)心室內(nèi)壓力的監(jiān)控，該超柔性器件相比于常用彈性體為基底的器件在較大程度上減少了對(duì)心臟跳動(dòng)的干擾。

圖3 超低模量器件的生物相容性測(cè)試

這一創(chuàng)新對(duì)于未來(lái)柔性電子學(xué)領(lǐng)域具有重要意義，為開(kāi)發(fā)更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)的電子設(shè)備提供了新的思路。該研究以“Achieving tissue-level softness on stretchable electronics through a generalizable soft interlayer design”為題發(fā)表在了Nature Communications期刊上，第一作者為芝加哥大學(xué)博士生李陽(yáng)。

審核編輯：劉清