Adv. Funct. Mater.：基于柔性電子學中開放蜂窩狀輕薄彈性襯底的化學傳感系統

【引言】

近年來柔性和可延展電子器件的進步為在人體任何部位的表面和任何器官系統中建立高級生理記錄系統奠定了基礎。由于使用在這些平臺上的生物兼容性材料具有較低的彈性模量和抗彎剛度，因此這些器件可以結合在柔軟的生物組織上持續不斷地收集醫療保健的相關數據，并且沒有機械誘導下的刺激、不適或者界面間的降解。盡管通過先前的研究已經建立了共形和穩固的接觸，然而，材料和設計的小型化或消除對于自然擴散或通過器件的流體對流的研究并不多。開放、蜂窩狀襯底的設計包含了多孔和平面的結構，分別對應著流體的輸運和器件支持。這種結構使得流體通過低模量的彈性薄膜進行擴散的同時保持了傳感器之間的牢固接觸。雖然這提供了很多具有吸引力的特性，但是在這種襯底上集成電極和電子器件仍然是具有挑戰性的工作。

【成果簡介】

近日，來自美國西北大學的John A. Rogers（通訊作者）等人闡述了在具有精心設計的蜂窩狀襯底上制作輕薄、可延展性離子傳感器的材料、設計及其集成策略，并對化學傳感和機械響應中的重要特性進行了研究。結合實驗測量和理論模擬建立了蜂窩狀襯底中低模量、可延展特性設計的重要原則，同時實現了對化學成分的時間-空間分布的研究。作為與生物功能相關且包含有價值信息的細胞外流體化學成分，這個概念的引入對通過皮膚和內臟集成電子器件具備潛在的應用價值，其中，柔軟的機械性能、流體可滲透性和先進的化學傳感特性是其中的關鍵要素。上述研究成果以“Chemical Sensing Systems that Utilize Soft Electronics on Thin Elastomeric Substrates with Open Cellular Designs”為題發表在2017年1月9日的Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1 在蜂窩狀襯底上的輕薄、可延展離子選擇性傳感器陣列

（a）傳感器設計的示意圖

（b）蜂窩狀襯底上制備的離子傳感器光學照片

（c）PEDOT/PSS前微制作過程和離子選擇性薄膜涂層的光學照片

（d）PEDOT/PSS前后的電極和離子選擇性薄膜涂層的SEM圖

（e）具有薄膜涂層的離子選擇性電極的截面圖

（f）浮于蜂窩狀襯底上一開口的蛇形連接

（g）通過蜂窩狀襯底的水滲透性測試

（h）具有蜂窩狀襯底時離子擴散的模擬時間序列

（i）沒有蜂窩狀襯底時離子擴散的模擬時間序列

圖2 蜂窩狀襯底的機械性能

（a）不同孔隙率時的應力-應變曲線

（b）不同孔隙率時的泊松比

（c）60%拉伸下低孔隙率（40%）時蜂窩狀襯底的數值計算結果（左）和光學照片（右）

（d）60%拉伸下高孔隙率（80%）時蜂窩狀襯底的數值計算結果（左）和光學照片（右）

（e）30%拉伸下具有離子傳感器的蜂窩狀襯底的數值計算結果

（f）30%拉伸下具有離子傳感器的硬質襯底的數值計算結果

（g）30%拉伸下具有離子傳感器的蜂窩狀襯底的光學照片

（h）30%拉伸下具有離子傳感器的硬質襯底的光學照片

（i）蜂窩狀襯底在有/無傳感器時的應力-應變曲線

圖3 選擇性離子傳感及空間分布圖：不同離子的開路電壓（OCV）響應

（a）鹽溶液中K⁺傳感器的開路電壓響應

（b）鹽溶液中H⁺傳感器的開路電壓響應

（c）鹽溶液中Ca⁺傳感器的開路電壓響應

（d）K⁺離子選擇性電極的可逆性

（e）K⁺離子選擇性電極相對于Na⁺的選擇性

（f）K⁺離子選擇性電極相對于H⁺的選擇性

（g）實驗裝置示意圖

（h）襯底設計對OCV響應的依賴性

【小結】

本文提供的材料、設計和集成策略為監測細胞外流體中的生物指標化學傳感器的制作提供了框架。通過傳感器的流體可滲透性最大程度地減少了由于傳統襯底的非滲透性誘導的累積。作為一種生物電學傳感器的先進形式，蜂窩狀設計的思路在電學-生理學信號和化學生物指標等其他類型的監控系統中也有應用潛力。

文獻鏈接：Chemical Sensing Systems that Utilize Soft Electronics on Thin Elastomeric Substrates with Open Cellular Designs（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605476）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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