用于多功能表皮電子與心臟貼片的激光誘導(dǎo)可拉伸生物電子界面

穿戴式和植入式生物電子技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)物理、化學(xué)以及電生理信號(hào)，在人機(jī)交互、醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、腦機(jī)接口、慢性病管理以及藥物釋放系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。高性能生物電子器件的構(gòu)建主要基于柔、軟、薄、可拉伸以及生物相容性的導(dǎo)電納米復(fù)合物，并且需與大面積集成制造方法兼容。

多模式激光制造技術(shù)集成激光增、等、減材加工形式，憑借高精度、非接觸、機(jī)理豐富、靈活可控、高效環(huán)保、多材料兼容等特點(diǎn)突破傳統(tǒng)制造在多任務(wù)、多線程、多功能復(fù)合加工中的局限，實(shí)現(xiàn)跨尺度“控形”與“控性”，為各類生物電子器件的結(jié)構(gòu)-材料-功能一體化制造開辟了新路徑。其中，激光誘導(dǎo)碳化（LIG）技術(shù)主要使用激光束對(duì)碳含量較高的材料進(jìn)行定向加熱，主要通過光熱效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電碳材料。該技術(shù)具有可圖案化、設(shè)計(jì)性強(qiáng)、圖案可轉(zhuǎn)印以及可調(diào)控的物化特性等優(yōu)勢(shì)，已被應(yīng)用于構(gòu)建多類生物電子器件。但是，在實(shí)現(xiàn)可拉伸、超薄生物電子集成系統(tǒng)方面，激光誘導(dǎo)碳化技術(shù)主要存在兩大挑戰(zhàn)：

（1）在轉(zhuǎn)印LIG時(shí)，界面機(jī)械剝離力限制了彈性體厚度（通常>45 μm）。

（2）LIG與柔彈性聚合物間的楊氏模量差異較大，限制可拉伸本征導(dǎo)電性。

近期，浙江大學(xué)楊華勇院士團(tuán)隊(duì)與藥學(xué)院顧臻教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在《Nature Electronics》期刊上發(fā)表題為“Stretchable Graphene-Hydrogel Interfaces for Wearable and Implantable Bioelectronics”的研究論文，徐凱臣研究員與顧臻教授為論文通訊作者，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位。本工作創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：

（1）首創(chuàng)激光碳化冷凍轉(zhuǎn)印新工藝，實(shí)現(xiàn)在最小 1.5 μm 厚的水凝膠表面的轉(zhuǎn)移, 建立LIG在多類水凝膠界面轉(zhuǎn)印的普適性方法。

（2）采用水凝膠作為能量耗散界面與面外電子傳輸層，誘導(dǎo)貫穿裂紋趨于偏轉(zhuǎn)裂紋，提升LIG本征導(dǎo)電拉伸率約5倍。結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)電可拉伸率可達(dá)220%（且電阻呈線性變化）。

通過突破上述關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)筑了多功能表皮電子與心臟貼片，實(shí)現(xiàn)了體表多模態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)以及大鼠心臟電信號(hào)的原位監(jiān)測(cè)，觀測(cè)到大鼠在冠狀動(dòng)脈結(jié)扎后的心率失常現(xiàn)象。

圖1：激光誘導(dǎo)可拉伸生物電子界面的設(shè)計(jì)概念圖

本工作發(fā)明了一種在零下196 ℃環(huán)境下，將激光誘導(dǎo)多孔碳從聚酰亞胺（PI）基底上剝離轉(zhuǎn)印到以PPH水凝膠為彈性體界面的方法。在極速冷凍界面，低溫膨脹的凝膠與多孔碳部分互嵌，同時(shí)富含缺陷位點(diǎn)的激光誘導(dǎo)多孔碳與含結(jié)晶水的凝膠表面的界面結(jié)合作用被明顯增強(qiáng)，保證了剝離過程中界面較強(qiáng)的剪切強(qiáng)度。分子動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也證實(shí)了界面結(jié)合能的演變機(jī)制。這兩種效應(yīng)均能促進(jìn)導(dǎo)電圖案完整轉(zhuǎn)印，同時(shí)保持良好的界面機(jī)械穩(wěn)定性。

圖2：激光碳化冷凍轉(zhuǎn)印，包括轉(zhuǎn)印方法、機(jī)理以及影響因素。

圖3：抗菌與生物相容性測(cè)試，所提出的PPH水凝膠展示了優(yōu)異的抗菌性能以及對(duì)小鼠傷口的愈合性能，且轉(zhuǎn)移激光誘導(dǎo)碳化基質(zhì)后，復(fù)合物性能幾乎不受影響。

圖4：基于激光誘導(dǎo)碳化與超薄PPH水凝膠復(fù)合物，系統(tǒng)研究了有無PPH凝膠薄膜的微裂紋與力電響應(yīng)變化，構(gòu)建了力敏、濕敏、溫度、心電傳感器。

圖5：基于激光誘導(dǎo)碳化與PPH水凝膠界面的多功能表皮電子，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸速率、心電、心率、表皮溫度與濕度信號(hào)。

圖6：植入式貼片應(yīng)用于監(jiān)測(cè)大鼠心臟電信號(hào)，根據(jù)大鼠的心臟大小，定制電極陣列，觀測(cè)到大鼠在冠狀動(dòng)脈結(jié)扎后的心率失?，F(xiàn)象。

浙江大學(xué)博士研究生陸雨姚（機(jī)械工程學(xué)院），楊賡研究員（機(jī)械工程學(xué)院），王慎強(qiáng)博士（藥學(xué)院），張宇琪研究員（藥學(xué)院）為并列第一作者。顧臻教授團(tuán)隊(duì)在抗菌、生物兼容性以及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等方面提供了重要支持。柔性電子學(xué)家黃維院士對(duì)本工作提供了重要指導(dǎo)。本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)、浙江省尖兵計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目資助。

審核編輯：劉清