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深圳国际研究生院徐晓敏团队开发超薄水凝胶和可呼吸皮肤集成电子

清华新闻网11月23日电 皮肤集成电子为个性化疾病诊疗和人机交互提供了革命性的新范式,特别是在健康监测领域,传感元件与人体皮肤之间的无缝贴合将有效降低接触阻抗,最大限度地减少运动伪影,提高测量精度,从而简化后续数据处理算法,其中厚度低至10微米或以下的超柔性(光)电子器件具备极高的机械顺应性,在皮肤集成系统方面展示出显著的应用潜力。尽管近年来柔性电子器件性能已取得长足发展,但常用的柔性衬底通常具有较高的杨氏模量、缺乏透气性和粘附性,由此产生的皮肤刺激或机械约束阻碍了柔性电子在皮肤表面的长期应用。

针对上述问题,清华大学深圳国际研究生院徐晓敏副教授课题组报道了首例厚度仅10微米的可剥离超薄水凝胶,并将其用作皮肤/柔性电子界面,展示了“无缝无感”皮肤集成电子的可行性(图1)。

图1.可呼吸皮肤集成电子示意图

在成本低廉的冷裱机和高疏水聚酯薄膜辅助下,团队采用冷层压法成功制备了超薄聚丙烯酰胺和海藻酸钠(PAAm-alginate)互穿网络水凝胶,并验证了10微米厚度水凝胶在皮肤表面的超高保形性。值得一提的是,超薄水凝胶可轻柔地覆盖不同区域皮肤表面的字形纹路,不形成任何空气间隙,显示了比150微米厚度样品更优异的皮肤顺应性(图2)。根据前人建立的力学模型,团队验证了不同厚度水凝胶对于不同部位皮肤图形的物理耦合程度。力学模拟结果指出超薄水凝胶薄膜(10微米)能够与不同部位的皮肤纹理无缝贴合,包括手掌、指尖、手背、前臂与脸颊等,与实验观察相吻合。

图2.超薄水凝胶的制备及不同厚度水凝胶对皮肤纹理的贴合程度对比

所制备的超薄PAAm-alginate水凝胶呈多孔结构,具备与皮肤相当的杨氏模量(34.3± 0.2kPa至540.2±81.3 kPa),优异的机械拉伸性即在500次最大应变200%的循环拉伸后无明显机械性能改变。皮肤上超薄水凝胶薄膜的剪切强度为0.55kPa,产生的平均最大剪切力为0.15N,约为90度剥离力的20至30倍。这种相对较高的剪切力可有效防止水凝胶的滑落,保证稳定附着;而较低的90度剥离力可确保剥离过程不对皮肤造成刺激伤害。此外,PAAm-alginate条件培养基的体外生物相容性与对照培养基相当,培养48小时后人肺成纤维细胞的体外活力没有明显下降,展示了良好的生物相容性(图3)。

图3.超薄PAAm-alginate水凝胶微观结构力学性能及生物相容性表征

水凝胶的高水蒸气透过率(WVTR)保证了其作为皮肤/电子界面的透气性,允许几乎不受阻碍的经表皮水分流失(TEWL),从而在贴附电子器件的情况下,人体皮肤和外部环境之间仍然保有自由的水蒸气交换。团队以超薄水凝胶作为界面,展示了多种有机薄膜器件(包括柔性场效应晶体管、电化学晶体管和太阳能电池)与皮肤集成的可能性,记录了以超薄水凝胶为界面的柔性电子器件在手背贴附长达一周,未见有明显过敏反应或皮肤刺激。此外,带有水凝胶界面的柔性太阳能电池在99小时内稳定运行,且水凝胶较大的比热容可降低太阳光长久照射和器件持续工作造成的局部温度过高,为穿戴带来更为舒适的感受(图4)。

图4.超薄水凝胶作为皮肤-电子器件界面

该研究为薄膜电子器件与皮肤的“无缝无感”集成提供了一种简约可行的解决方案,将有力推进皮肤集成电子的普适性。相关成果近日以“面向可呼吸皮肤集成电子的超薄水凝胶”(Ultrathin Hydrogel Films toward Breathable Skin-Integrated Electronics)为题,发表在国际期刊《先进材料》(Advanced Materials)上。

本文第一作者为清华大学深圳国际研究生院环境科学与新能源技术专业2021级博士生程思敏,清华大学深圳国际研究生院徐晓敏副教授为该论文通讯作者。论文的共同作者还包括清华大学深圳国际研究生院/中国科学院深圳先进技术研究院成会明院士,清华大学深圳国际研究生院马少华副教授,南方科技大学郭传飞教授,中国海洋大学王国庆教授,清华大学深圳国际研究生院2020级硕士郭昊天、2020级博士后楼子瑞等。

该研究项目得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市优秀青年基金、深圳市高等院校稳定支持计划重点项目以及清华大学深圳国际研究生院海外科研合作基金和启动基金等项目的支持。

论文链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202206793

供稿:深圳国际研究生院

题图设计:金娅辰

编辑:李华山

审核:郭玲

2022年11月23日 09:45:14

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