基于液態(tài)金屬的微型柔性織物電化學檢測系統(tǒng)

可穿戴設(shè)備集成電化學傳感平臺在生物醫(yī)學應用中具有廣闊的前景。然而，傳統(tǒng)的電化學平臺通常構(gòu)建于印刷電路板（PCB），在柔韌性和透氣性方面都比較差，并且缺乏延展性。而室溫下的液態(tài)金屬具有出色的流動性和導電性，在柔性電子產(chǎn)品領(lǐng)域顯示出良好的應用前景。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，北京航空航天大學和清華大學的科研團隊開發(fā)出一種基于液態(tài)金屬的微型柔性織物電化學檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有柔韌性強、透氣性好、可貼合人體的特點。該科研團隊利用液態(tài)金屬優(yōu)異的流動性和導電性，制造出雙層電路，顯著縮小了整個系統(tǒng)的尺寸。通過電阻、穩(wěn)定性、圖像表征和鐵氰化鉀測試，驗證了該系統(tǒng)的線性響應、時間穩(wěn)定性和可重復性。該系統(tǒng)可以檢測到汗液中毫摩爾水平的葡萄糖，在生物醫(yī)學領(lǐng)域的可穿戴和便攜式檢測方面（例如健康監(jiān)測和即時檢測等）顯示出巨大的潛力。

基于液態(tài)金屬的織物電化學傳感器系統(tǒng)設(shè)計及其原理圖

目前，柔性可穿戴電化學傳感系統(tǒng)的研究已取得了初步進展。關(guān)于可穿戴生物傳感器此前已經(jīng)發(fā)表過相關(guān)研究，這些可穿戴生物傳感器采用便攜式甚至可穿戴的檢測系統(tǒng)，采用像氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）、聚酰亞胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚四氟乙烯（PTFE）等柔性基板。雖然它們具有出色的彎曲和拉伸能力，但其較差的透氣性致使在佩戴時給皮膚造成一定的負擔，甚至可能引起皮膚炎癥。因此，可穿戴設(shè)備的舒適性受到很大限制。

織物是一種常見的親膚材料。通過在織物上印刷制備的生物傳感器可以與皮膚直接接觸，同時增強了透氣性，提高了舒適度?，F(xiàn)有的基于織物的生物傳感器已用于檢測葡萄糖、pH、乳酸和尿酸等生物信號。這些研究通過在織物上實現(xiàn)導電電路，驗證并應用了生物傳感器的功能。然而，使用普通的電子墨水，如用于印刷的納米銅、納米銀、納米金和石墨墨水，直接在織物上制造復雜電路仍然具有挑戰(zhàn)性。這主要是由于交叉電路需要多層互連，這在使用這些導電油墨的織物上很難實現(xiàn)。

柔性織物電路的制造工藝

在這項研究中，為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員使用室溫下的液態(tài)金屬鎵銦錫合金（Galinstan，68.5%的鎵、21.5%的銦和10%的錫）作為導體在織物上制造電化學傳感系統(tǒng)。由于其具有良好的流動性和導電性，鎵銦錫合金已成為柔性電子領(lǐng)域中柔性導體的重要候選材料。此外，出色的流動性允許自我修復，具有較強的延展性，這是柔性和可拉伸電子器件非常理想的材料。因此，研究人員將所有電路通過液態(tài)金屬印刷在兩層織物上以實現(xiàn)這種電化學傳感系統(tǒng)。

柔性織物電路的表征

通常，液態(tài)金屬成型的方法很復雜。例如，微通道噴射需要真空抽吸設(shè)備，霧化噴涂需要噴槍，3D打印需要一系列相關(guān)的打印設(shè)備。一些研究需要對液態(tài)金屬材料進行預處理，以使其具有粘性，從而降低后續(xù)成型步驟中的流動性。此外，雜質(zhì)也會影響液態(tài)金屬的導電性。該研究中，科研人員利用聚甲基丙烯酸酯（PMA）將沒有雜質(zhì)的液態(tài)金屬印花在織物上，無需額外的設(shè)備和復雜的預處理。膠水增強了金屬與織物之間的附著力，提高了電路的穩(wěn)定性，整個織物基板的電路具有良好的透氣性。此外，制造工藝方便、快捷、人性化。這種基于液態(tài)金屬的織物電化學傳感系統(tǒng)通過開發(fā)一種基于液態(tài)金屬的雙層電路，集成了信號采集和信號處理的功能。

該系統(tǒng)主要由以下部分組成：基于液態(tài)金屬的柔性織物檢測電路、筆記本電腦上的控制軟件和可更換電極。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)0~3?V范圍內(nèi)的恒壓電路進行電化學檢測，并將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦的軟件中。傳感部分使用商用電極。該電化學傳感系統(tǒng)的功能通過鐵氰化鉀測試得到驗證。此外，人體汗液中葡萄糖的檢測是在毫摩爾水平上實現(xiàn)的，這表明其在可穿戴電化學傳感中的應用潛力很大。

用于葡萄糖檢測的織物電化學傳感器系統(tǒng)的測試情況

綜上所述，科研人員通過使用液態(tài)金屬制造兩層電路，引入了一種基于織物的微型電化學傳感系統(tǒng)，并實現(xiàn)了電化學傳感。由于液態(tài)金屬的流動性和織物的透氣性，這種緊湊的電化學系統(tǒng)為可穿戴傳感設(shè)備提供了極大的舒適性和便攜性?？蓪崿F(xiàn)0~3?V范圍內(nèi)的恒壓電路，以用于葡萄糖濃度檢測。該系統(tǒng)的性能通過鐵氰化物測試得到驗證。此外，在人體汗液的干擾下檢測到了毫摩爾水平的葡萄糖，進一步證明了其靈敏度和穩(wěn)定性。最重要的是，這種可穿戴且緊湊的織物電化學系統(tǒng)在健康監(jiān)測、家庭診斷和治療、移動醫(yī)療和即時檢測方面具有很大的應用潛力。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-022-00365-3

審核編輯 ：李倩