可用于體內(nèi)心電檢測的本征可拉伸傳感電極陣列

柔性可拉伸材料與生物組織具有更好的機(jī)械匹配性，在與生物組織接觸緊密的電子器件中使用可降低生物系統(tǒng)免疫反應(yīng)的風(fēng)險。傳統(tǒng)電子材料由于變形能力的限制，在可拉伸電子領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定限制。近年來液態(tài)金屬的研究應(yīng)用為該領(lǐng)域提供了另一種選擇，但當(dāng)前液態(tài)金屬在可植入器件中的應(yīng)用依然面臨長期穩(wěn)定性差，加工困難等挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的孔德圣教授團(tuán)隊針對液態(tài)金屬在可植入電子應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)，提出了一種全新的應(yīng)用方案。通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圖1-A,B），確保了液態(tài)金屬在可植入電子器件中的長期穩(wěn)定工作，同時在該結(jié)構(gòu)下電子器件具有高達(dá)400%的拉伸應(yīng)變能力，通過動物模型展現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的生物電信號檢測能力，在生物體內(nèi)檢測方面有著巨大的應(yīng)用價值，拓展了液態(tài)金屬在可拉伸植入電子的應(yīng)用范圍。該研究以題為“Intrinsically stretchable electronics with ultrahigh deformability to monitor dynamically moving organs”的論文發(fā)表在最新一期《Science Advances》上，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院研究生王紹磊為本文第一作者，孔德圣教授和寧興海教授為共同通訊作者。

圖1 本征可拉伸的電極傳感陣列

該研究采用選擇性潤濕的原理實現(xiàn)液態(tài)金屬的圖案化。通過電學(xué)學(xué)、力學(xué)性能測試，證明該液態(tài)金屬電極具有超高的可拉伸能力，最大拉伸可達(dá)800%（如圖2D-F）。針對液態(tài)金屬在生理環(huán)境中電化學(xué)穩(wěn)定性差的問題，發(fā)展了基于碳納米管的彈性體高分子的可拉伸導(dǎo)電復(fù)合材料，作為電化學(xué)性能穩(wěn)定的電極，電導(dǎo)率達(dá)到1.1S/cm，同時在50%、100% 和150%拉伸應(yīng)變下電阻增長分別為3、12和35倍。該復(fù)合材料可通過模板印刷的方式在彈性體表面進(jìn)行圖案化制備（圖3-A），圖案化精度可達(dá)100微米。

圖2 液態(tài)金屬的圖案化工藝及性能表征

圖3 可印刷的導(dǎo)電碳納米復(fù)合材料

之后作者采用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖4-A），通過逐層加工的工藝流程，制備了基于液態(tài)金屬的可拉伸的傳感電極陣列。并通過在電極陣列表面修飾微裂紋狀的導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS，顯著降低了電極界面阻抗（圖4-B）。由于該結(jié)構(gòu)中電極區(qū)域與傳感陣列整體存在彈性模量差異，在應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)變分布存在的空間差異進(jìn)一步保證了整體的超高可拉伸性，在400%應(yīng)變下單個電極的阻抗依然遠(yuǎn)低于1×10?Ω，在經(jīng)歷10000次應(yīng)變循環(huán)后傳感電極阻抗保持穩(wěn)定。

圖4 可拉伸傳感電極陣列的電學(xué)、力學(xué)性能測試

該可拉伸傳感電極陣列可用于體內(nèi)心電檢測。通過牛蛙和家兔這兩種心率差異較大的動物模型，證明了電極的低阻抗、與動態(tài)器官的緊密貼合有利于獲取高質(zhì)量的生理電信號。在牛蛙（心率約33次/分鐘）和家兔（心率約270次/分鐘）體內(nèi)獲取的心電信號信噪比分別高達(dá)263和137。該傳感電極陣列對藥物引發(fā)心律失常的家兔心臟模型也進(jìn)行了高質(zhì)量的心電信號獲取，證明了該傳感電極陣列在心血管疾病的診斷和治療方面具有巨大的應(yīng)用前景。

圖6 家兔的體內(nèi)測試

審核編輯 ：李倩