用于可穿戴和可植入生物電子學的可拉伸石墨烯-水凝膠界面

可穿戴和可植入生物電子技術(shù)能夠監(jiān)測物理、化學以及電生理信號，在人機交互、醫(yī)療健康監(jiān)測、腦機接口、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電納米復合物，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、機理豐富、靈活可控、高效環(huán)保、多材料兼容等特點突破傳統(tǒng)制造在多任務、多線程、多功能復合加工中的局限，實現(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，激光誘導碳化（LIG）技術(shù)主要使用激光束對碳含量較高的材料進行定向加熱，主要通過光熱效應轉(zhuǎn)變?yōu)閷щ娞疾牧稀Ｔ摷夹g(shù)具有可圖案化、設計性強、圖案可轉(zhuǎn)印以及可調(diào)控的物化特性等優(yōu)勢，已被應用于構(gòu)建多類生物電子器件。

但是，在實現(xiàn)可拉伸、超薄生物電子集成系統(tǒng)方面，激光誘導碳化技術(shù)主要存在兩大挑戰(zhàn)：

(1) 在轉(zhuǎn)印LIG時，界面機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，限制可拉伸本征導電性。

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圖1：激光誘導可拉伸生物電子界面的設計概念圖 近期，浙江大學楊華勇院士團隊與藥學院顧臻教授團隊聯(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，浙江大學機械工程學院，流體動力基礎(chǔ)件與機電系統(tǒng)全國重點實驗室為第一單位。本工作創(chuàng)新點主要包括：

（1）首創(chuàng)激光碳化冷凍轉(zhuǎn)印新工藝，實現(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，誘導貫穿裂紋趨于偏轉(zhuǎn)裂紋，提升LIG本征導電拉伸率約5倍。結(jié)合結(jié)構(gòu)設計，導電可拉伸率可達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，實現(xiàn)了體表多模態(tài)信號監(jiān)測以及大鼠心臟電信號的原位監(jiān)測，觀測到大鼠在冠狀動脈結(jié)扎后的心率失?，F(xiàn)象。

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圖2：激光碳化冷凍轉(zhuǎn)印，包括轉(zhuǎn)印方法、機理以及影響因素。本工作設計了厚度為1.0~1.5 μm的PPH水凝膠膜作為激光誘導多孔碳轉(zhuǎn)印的骨架材料（~10 μm厚的柔彈性介質(zhì)為支撐層）。以聚乙烯醇(PVA)、植酸(PA)和天然蜂蜜為原料，制備了具有高粘附性、抗菌性、高生物兼容性的PPH水凝膠。通過分子動力學理論計算結(jié)合實驗，揭示極端低溫誘導轉(zhuǎn)印過程中，界面結(jié)合能演變機制。系統(tǒng)探索了激光功率密度、PPH層厚度、以及支撐層的楊氏模量對轉(zhuǎn)移效率的影響。

本工作發(fā)明了一種在零下196 ℃環(huán)境下，將激光誘導多孔碳從聚酰亞胺（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，同時富含缺陷位點的激光誘導多孔碳與含結(jié)晶水的凝膠表面的界面結(jié)合作用被明顯增強，保證了剝離過程中界面較強的剪切強度。分子動力學理論計算結(jié)合實驗驗證也證實了界面結(jié)合能的演變機制。這兩種效應均能促進導電圖案完整轉(zhuǎn)印，同時保持良好的界面機械穩(wěn)定性。

浙江大學博士研究生陸雨姚（機械工程學院），楊賡研究員（機械工程學院），王慎強博士（藥學院），張宇琪研究員（藥學院）為并列第一作者。顧臻教授團隊在抗菌、生物兼容性以及動物實驗等方面提供了重要支持。柔性電子學家黃維院士對本工作提供了重要指導。本研究由國家自然科學基金、科技創(chuàng)新2030重大項目、國家重點研發(fā)計劃、浙江省領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊、浙江省尖兵計劃等多個項目資助。

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

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

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圖5：基于激光誘導碳化與PPH水凝膠界面的多功能表皮電子，可實時監(jiān)測呼吸速率、心電、心率、表皮溫度與濕度信號。

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

審核編輯：劉清