清華新聞網(wǎng)11月23日電 皮膚集成電子為個(gè)性化疾病診療和人機(jī)交互提供了革命性的新范式，特別是在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，傳感元件與人體皮膚之間的無(wú)縫貼合將有效降低接觸阻抗，最大限度地減少運(yùn)動(dòng)偽影，提高測(cè)量精度，從而簡(jiǎn)化后續(xù)數(shù)據(jù)處理算法，其中厚度低至10微米或以下的超柔性（光）電子器件具備極高的機(jī)械順應(yīng)性，在皮膚集成系統(tǒng)方面展示出顯著的應(yīng)用潛力。盡管近年來(lái)柔性電子器件性能已取得長(zhǎng)足發(fā)展，但常用的柔性襯底通常具有較高的楊氏模量、缺乏透氣性和粘附性，由此產(chǎn)生的皮膚刺激或機(jī)械約束阻礙了柔性電子在皮膚表面的長(zhǎng)期應(yīng)用。
針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院徐曉敏副教授課題組報(bào)道了首例厚度僅10微米的可剝離超薄水凝膠，并將其用作皮膚/柔性電子界面，展示了“無(wú)縫無(wú)感”皮膚集成電子的可行性（圖1）。
圖1.可呼吸皮膚集成電子示意圖
在成本低廉的冷裱機(jī)和高疏水聚酯薄膜輔助下，團(tuán)隊(duì)采用冷層壓法成功制備了超薄聚丙烯酰胺和海藻酸鈉（PAAm-alginate）互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，并驗(yàn)證了10微米厚度水凝膠在皮膚表面的超高保形性。值得一提的是，超薄水凝膠可輕柔地覆蓋不同區(qū)域皮膚表面的字形紋路，不形成任何空氣間隙，顯示了比150微米厚度樣品更優(yōu)異的皮膚順應(yīng)性（圖2）。根據(jù)前人建立的力學(xué)模型，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了不同厚度水凝膠對(duì)于不同部位皮膚圖形的物理耦合程度。力學(xué)模擬結(jié)果指出超薄水凝膠薄膜（10微米）能夠與不同部位的皮膚紋理無(wú)縫貼合，包括手掌、指尖、手背、前臂與臉頰等，與實(shí)驗(yàn)觀(guān)察相吻合。
圖2.超薄水凝膠的制備及不同厚度水凝膠對(duì)皮膚紋理的貼合程度對(duì)比
所制備的超薄PAAm-alginate水凝膠呈多孔結(jié)構(gòu)，具備與皮膚相當(dāng)?shù)臈钍夏Ａ浚?4.3± 0.2kPa至540.2±81.3 kPa），優(yōu)異的機(jī)械拉伸性即在500次最大應(yīng)變200%的循環(huán)拉伸后無(wú)明顯機(jī)械性能改變。皮膚上超薄水凝膠薄膜的剪切強(qiáng)度為0.55kPa，產(chǎn)生的平均最大剪切力為0.15N，約為90度剝離力的20至30倍。這種相對(duì)較高的剪切力可有效防止水凝膠的滑落，保證穩(wěn)定附著；而較低的90度剝離力可確保剝離過(guò)程不對(duì)皮膚造成刺激傷害。此外，PAAm-alginate條件培養(yǎng)基的體外生物相容性與對(duì)照培養(yǎng)基相當(dāng)，培養(yǎng)48小時(shí)后人肺成纖維細(xì)胞的體外活力沒(méi)有明顯下降，展示了良好的生物相容性（圖3）。
圖3.超薄PAAm-alginate水凝膠微觀(guān)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及生物相容性表征
水凝膠的高水蒸氣透過(guò)率（WVTR）保證了其作為皮膚/電子界面的透氣性，允許幾乎不受阻礙的經(jīng)表皮水分流失（TEWL），從而在貼附電子器件的情況下，人體皮膚和外部環(huán)境之間仍然保有自由的水蒸氣交換。團(tuán)隊(duì)以超薄水凝膠作為界面，展示了多種有機(jī)薄膜器件（包括柔性場(chǎng)效應(yīng)晶體管、電化學(xué)晶體管和太陽(yáng)能電池）與皮膚集成的可能性，記錄了以超薄水凝膠為界面的柔性電子器件在手背貼附長(zhǎng)達(dá)一周，未見(jiàn)有明顯過(guò)敏反應(yīng)或皮膚刺激。此外，帶有水凝膠界面的柔性太陽(yáng)能電池在99小時(shí)內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，且水凝膠較大的比熱容可降低太陽(yáng)光長(zhǎng)久照射和器件持續(xù)工作造成的局部溫度過(guò)高，為穿戴帶來(lái)更為舒適的感受（圖4）。
圖4.超薄水凝膠作為皮膚-電子器件界面
該研究為薄膜電子器件與皮膚的“無(wú)縫無(wú)感”集成提供了一種簡(jiǎn)約可行的解決方案，將有力推進(jìn)皮膚集成電子的普適性。相關(guān)成果近日以“面向可呼吸皮膚集成電子的超薄水凝膠”（Ultrathin Hydrogel Films toward Breathable Skin-Integrated Electronics）為題，發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
本文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院環(huán)境科學(xué)與新能源技術(shù)專(zhuān)業(yè)2021級(jí)博士生程思敏，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院徐曉敏副教授為該論文通訊作者。論文的共同作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院/中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院成會(huì)明院士，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院馬少華副教授，南方科技大學(xué)郭傳飛教授，中國(guó)海洋大學(xué)王國(guó)慶教授，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士郭昊天、2020級(jí)博士后樓子瑞等。
該研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市優(yōu)秀青年基金、深圳市高等院校穩(wěn)定支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目以及清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院海外科研合作基金和啟動(dòng)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202206793
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
