可用于体内心电检测的本征可拉伸传感电极阵列

发表时间：2022-04-07 16:32

柔性可拉伸材料与生物组织具有更好的机械匹配性，在与生物组织接触紧密的电子器件中使用可降低生物系统免疫反应的风险。传统电子材料由于变形能力的限制，在可拉伸电子领域的应用受到一定限制。近年来液态金属的研究应用为该领域提供了另一种选择，但当前液态金属在可植入器件中的应用依然面临长期稳定性差，加工困难等挑战。

近期，南京大学现代工程与应用科学学院的孔德圣教授团队针对液态金属在可植入电子应用所面临的挑战，提出了一种全新的应用方案。通过特殊的结构设计（如图1-A,B），确保了液态金属在可植入电子器件中的长期稳定工作，同时在该结构下电子器件具有高达400%的拉伸应变能力，通过动物模型展现了稳定可靠的生物电信号检测能力，在生物体内检测方面有着巨大的应用价值，拓展了液态金属在可拉伸植入电子的应用范围。该研究以题为“Intrinsically stretchable electronics with ultrahigh deformability to monitor dynamically moving organs”的论文发表在最新一期《Science Advances》上，南京大学现代工程与应用科学学院研究生王绍磊为本文第一作者，孔德圣教授和宁兴海教授为共同通讯作者。

图1 本征可拉伸的电极传感阵列

该研究采用选择性润湿的原理实现液态金属的图案化。通过电学学、力学性能测试，证明该液态金属电极具有超高的可拉伸能力，最大拉伸可达800%（如图2D-F）。针对液态金属在生理环境中电化学稳定性差的问题，发展了基于碳纳米管的弹性体高分子的可拉伸导电复合材料，作为电化学性能稳定的电极，电导率达到1.1S/cm，同时在50%、100% 和150%拉伸应变下电阻增长分别为3、12和35倍。该复合材料可通过模板印刷的方式在弹性体表面进行图案化制备（图3-A），图案化精度可达100微米。

图2 液态金属的图案化工艺及性能表征

图3 可印刷的导电碳纳米复合材料

之后作者采用新型的结构设计（图4-A），通过逐层加工的工艺流程，制备了基于液态金属的可拉伸的传感电极阵列。并通过在电极阵列表面修饰微裂纹状的导电聚合物PEDOT:PSS，显著降低了电极界面阻抗（图4-B）。由于该结构中电极区域与传感阵列整体存在弹性模量差异，在应力状态下应变分布存在的空间差异进一步保证了整体的超高可拉伸性，在400%应变下单个电极的阻抗依然远低于1×10⁴Ω，在经历10000次应变循环后传感电极阻抗保持稳定。

图4 可拉伸传感电极阵列的电学、力学性能测试

该可拉伸传感电极阵列可用于体内心电检测。通过牛蛙和家兔这两种心率差异较大的动物模型，证明了电极的低阻抗、与动态器官的紧密贴合有利于获取高质量的生理电信号。在牛蛙（心率约33次/分钟）和家兔（心率约270次/分钟）体内获取的心电信号信噪比分别高达263和137。该传感电极阵列对药物引发心律失常的家兔心脏模型也进行了高质量的心电信号获取，证明了该传感电极阵列在心血管疾病的诊断和治疗方面具有巨大的应用前景。