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BEBC在水凝胶柔性电子领域最新研究成果于Materials Horizons上发表

2019-08-30 08:12:43      点击:

近年来,利用柔性可穿戴电子实现个性化运动和健康监测已逐渐成为生物医学工程的研究热点。柔性可穿戴电子主要包括软质基底材料和硬质电子元器件两部分。其中,软质基底材料与人体皮肤等直接接触,需具备良好的生物相容性,并在监测运动和信号的过程中保证一定的拉伸、延展性;硬质电子元器件通过测量压电等信号实现人体物理(如脉搏、关节运动)、电生理(如心电、肌电)和生化(如葡萄糖、离子浓度)等的检测。传统的柔性可穿戴电子基底材料(如PDMS)存在生物相容性不足、力学性质与人体皮肤不匹配的问题,长期佩戴会带来不适感,甚至造成炎症,极大影响了柔性可穿戴电子的实际应用。近些年,各种水凝胶逐渐被应用于柔性可穿戴电子的基底材料,其良好的生物相容性进一步提升了可穿戴柔性电子的用户友好体验。但目前的商用电子元器件通常采用简单集成(插入等)的方式固定在软质基底上,在实际应用场景中,软质基底需要承受力学拉伸产生较大变形,难以延展的硬质器件常常会因为应变不匹配而脱落,影响其功能的稳定实现。因此,解决硬质电子元器件与软质水凝胶基底材料的集成问题对柔性可穿戴电子的性能稳定和功能拓展有重要意义。

BEBC围绕“力学基础理论-生物技术研发-应用推广”的学术理念,坚持将力学理论模型用于生物材料设计和实际的应用场景中。前期大量工作通过设计水凝胶的合成方式和条件(如密度、交联方式、离子种类和浓度等),实现了水凝胶理化性质在时空尺度上的精确调控,制备了多种不同性质的水凝胶模型,并有效应用于组织修复和细胞微环境构建中。

基于前期水凝胶力学性能调控的研究,我们提出了一种简便易行的方法,解决了硬质电子元器件与软质水凝胶基底材料的集成问题:通过调控水凝胶的空间力学性质(刚度),实现了其局部形变抑制,保障了水凝胶柔性可穿戴电子在大变形条件下的功能。该方法通过二次交联局部硬化水凝胶的方式,将硬质电子元器件集成加固于水凝胶硬化区域。硬化区域刚度相较于未硬化区域提升了近10倍,在外部载荷较大情况下,未硬化区域仍可保证整体的拉伸性,而局部硬化区域水凝胶所承受的应变大幅降低。例如,当水凝胶基底整体拉伸变形100%时,硬化区域最低承受应变仅为12%。实现了优良且可调控的应变屏蔽能力,可有效防止电子元件在大变形下(如150%的拉伸应变)从基板上分离,保障器件功能的稳定输出。进一步应用力学模型对局部硬化处理后水凝胶材料的应变分布进行了分析,结果表明局部硬化位置水凝胶所承受的应变大幅降低,确定了该方法对于水凝胶力学性质(刚度)的空间调控及局部形变抑制的可行性。另外,基于该水凝胶局部硬化方法,我们开发了一种多功能水凝胶柔性电子传感装置,实现了在多器件集成下的温度测量、紫外辐射和肌电等信号的监测等功能,拓宽了可穿戴设备在医疗领域中的应用前景。该局部硬化的方法对水凝胶柔性电子材料具有普适性,今后可被用于多种元器件在水凝胶基底上的集成,搭建用户友好的可穿戴人-机交互界面,实现在个性化运动、健康监测领域的应用。

上述研究结果以“Spatially Modulated Stiffness on Hydrogel for Soft and Stretchable Integrated Electronics”为题发表在Materials Horizons上。博士生刘灏为第一作者,徐峰教授和李菲教授为本文的共同通讯作者,其他作者包括BEBC博士生李墨筱和贾朋朋、硕士生郭晓锦、冯上升副教授以及南京航空航天大学的刘少宝博士和卢天健教授。作者专业领域包括生物医学工程、生物力学、化学、传热传质等不同学科背景,充分展现了BEBC理论与实践紧密结合的多学科交叉合作研究理念。西安交通大学为本工作的第一和唯一通讯单位,该工作也得到了国家自然科学基金等的支持。

文章链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/mh/c9mh01211g#!divAbstract