圣母大学张艳良教授《AM》：新型超拉伸生物电子器件实现无缝集成，助力可穿戴与植入式医疗设备发展

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-14 07:57

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近日，圣母大学（University of Notre Dame）航空与机械工程系张艳良教授（Yanliang Zhang）团队与加州大学洛杉矶分校（UCLA）段镶锋教授（Xiangfeng Duan）团队及合作者，在可拉伸生物电子器件领域取得重大突破。他们成功开发了一种基于“通用梯度界面” （Universal Gradient Interface, UGI）的超拉伸生物电子器件，能够与人体软组织无缝集成，并在高拉伸条件下保持优异的电学性能。这一成果为可穿戴设备、植入式医疗设备以及软体机器人等领域带来了新的发展机遇。相关研究已发表在最新一期的《Advanced Materials》期刊上，论文题为《A Printed Microscopic Universal Gradient Interface for Super Stretchable Strain-Insensitive Bioelectronics》，第一作者为宋凯东博士（Kaidong Song）。

背景与挑战

近年来，可拉伸生物电子技术在可穿戴和植入式医疗设备领域备受关注。这些设备能够与人体表面紧密贴合，实现高精度生理信号监测，对个性化医疗和长期健康管理具有重要意义。然而，当前的可拉伸电子器件面临一个关键挑战：生物组织的柔软性与电子材料的刚性之间存在显著的性能不匹配。这种不匹配不仅影响设备的舒适性，还可能降低信号采集的准确性，甚至导致器件失效。

创新突破：通用梯度界面（UGI）

为解决上述问题，研究团队提出了一种创新的“通用梯度界面”（UGI）设计。该界面通过气溶胶多材料打印技术（Aerosol-Based Multi-Materials Printing, AMMP）实现，能够在亚微米尺度上（沿沉积厚度方向≈500 nm，X-Y平面≈20 µm）精确调控材料的力学性能梯度，从而在软组织和刚性电子材料之间建立平滑过渡。UGI的设计灵感来源于自然界中软硬材料之间的功能梯度界面，能够有效减少界面应力集中，防止分层和机械失效。

研究团队利用AMMP技术，将两种不同模量的聚氨酯分散体（PUD）雾化成微米级液滴，并在打印机内部实现动态原位混合。随后，通过协同流动的护套气体对液滴进行聚焦和沉积，成功构建了模量梯度范围从1 MPa到100 MPa的材料结构。实验结果表明，UGI显著提升了材料的拉伸性能，并有效隔离了应变。即使在180%的单轴拉伸条件下，UGI仍能保持极低的电阻变化（<2.9%），其性能远超传统拉伸电子材料。此外，该方法兼容多种导电材料（如PEDOT:PSS、金纳米颗粒、银纳米线和MXene），能够在UGI上实现无裂纹打印，展现出卓越的应变不敏感特性。与传统的多材料电子器件制造工艺相比，UGI通过AMMP技术实现了功能器件与模量梯度结构的一体化打印，大幅提升了制造效率。

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图1：使用基于气溶胶的多材料打印（AMMP）打印的通用梯度界面（UGIs）支持的可拉伸设备。

图2：各种导电材料及传感器打印在UGI上的应变不敏感效应的演示。

应用展示：多功能可拉伸器件

研究团队成功利用UGI打印了多种功能器件，包括温度传感器、应变传感器和光电探测器。这些器件在高达180%的拉伸条件下仍能保持优异的性能稳定性。例如，基于UGI的温度传感器在25°C至50°C范围内展现出高灵敏度，并且在拉伸过程中信号几乎无漂移，表现出卓越的可靠性。为验证其应用潜力，研究人员在UGI上集成了应变传感器和温度传感器，并将其贴合到人工心脏模型表面，成功实现了对心脏收缩、舒张过程以及温度变化的实时监测。

此外，研究团队还在UGI上打印了MoS₂作为光电探测器的活性层，并采用MXene作为电极，制备出高灵敏度的光电探测器。该探测器在405 nm激光照射下表现出优异的光响应性，在100%拉伸应变下，UGI支撑的光电探测器仅出现2.9%的暗电流变化，而传统柔性基底上的光电探测器性能衰减高达16700%，显著凸显了UGI的优越性。研究团队进一步将光电探测器阵列集成到可充气半球体结构上，构建了仿生3D视觉传感系统，为未来可拉伸光学传感技术的发展开辟了新的研究方向。

在健康监测领域，研究团队展示了基于UGI的多模态传感器，能够同时监测体温、脉搏和血氧饱和度等关键生理指标。其中，采用MoS₂光探测器与LED结合的血氧饱和度传感器（SpO₂传感器）在皮肤表面实现了高精度的血氧监测，并表现出优异的抗运动伪影能力。与传统的软基板器件相比，UGI器件的信号偏差小于1.7%，展现出卓越的抗干扰性能和稳定性，为下一代可穿戴健康监测设备提供了强有力的技术支持。

图3：可拉伸的光电传感器。

图4：全打印可穿戴多模态传感器用于健康监测。

未来展望

本研究提出的通用梯度界面（UGI）及基于气溶胶的多材料打印（AMMP）方法，为可拉伸电子设备提供了一种全新的制造策略。UGI 具备超高的拉伸性及应变隔离能力，使其在未来的可穿戴设备、植入式医疗器件、软体机器人及人机交互系统等领域具有广阔的应用前景。此外，该方法可通过多喷嘴阵列进一步扩展至大规模制造，为下一代智能电子材料的发展奠定基础。

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