电子皮肤——可注射光固化墨水原位形成导电表皮电极

研究背景

可穿戴设备的原位制造为满足对更多适应性设备的需求提供了一个有希望的解决方案。各种涂层方法，如注射打印，气溶胶打印，喷墨，邮票打印，3D打印,甚至手动绘制，已被用于在弯曲的皮肤上应用导电油墨，银纳米线，液体金属,和混合导电纳米纤维。这些方法已经证明了直接在皮肤上快速制造柔性和可拉伸电子元件的可能性。然而，对热、溶剂和机械力敏感的生物组织，以及在应用过程中保持相对静止状态的个人服从，对涂层材料的组成和涂层方法都提出了严格的要求。此外，可变的监测参数随机的准备场所和动态的应用场景要求涂层材料实现高导电性，需要具有独立性的可穿戴设备，以及在复杂环境中的监测稳定性。具有低固化和烧结温度、快速涂层速度、对各种表面形态有很好的适应性、对皮肤毛发的耐受性和高机械强度的高导电性生物兼容材料还很少有报道。同时，开发能够独立制备和稳定健康监测的完全集成的、强大的柔性系统已成为迫切需求。

研究成果

通过涂层方法就地制造可穿戴设备是快速部署可穿戴设备和更适应不同传感需求的设备的一个有希望的解决方案。然而，生物组织的热、溶剂和机械敏感性，以及个人遵从性，对涂层材料和方法提出了严格要求。为了解决这个问题，天津大学黄显教授团队开发了一种生物相容性和可生物降解的光固化导电墨水和一个多合一的灵活系统，进行墨水的原位注射和光子固化，以及生物生理信息的监测。该墨水可以通过自发的相变凝固，并通过光子固化达到 7.48 MPa的高机械强度和3.57x105 S/m 的优异导电性。这个灵活的系统包含了嵌入特殊设计的光波导的弹性注射室，使可见的 LED 光均匀地散布到整个注射室，并在 5分钟内迅速固化墨水。由此产生的导电电极提供了亲密的皮肤接触,即使存在头发，也能在8 g的加速度下稳定地工作从而形成了一个强大的可穿戴系统，能够在激烈运动、大量出汗和不同的表面形态下工作类似的概念可能会导致各种快速部署的可穿戴系统，为大量人口的健康跟踪提供良好的适应性，以满足不同的监测需求。相关研究以“In Situ Formation of Conductive Epidermal Electrodes Using a Fully Integrated Flexible System and Injectable Photocurable Ink”为题发表在ACS Nano期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematics of the flexible system for measuring physiological parameters.

Figure 2. Characterization of the photocurable ink and cured films.

Figure 3. Assessment of the conformal contact of the film and skin.

Figure 4. Characterization of the light scattering property of the optical waveguide.

Figure 5. Demonstrations of the flexible system for ECG sensing.

总结与展望

作者提出了使用光敏导电墨水和局部光子固化来原位制造柔性电子器件的概念。光敏墨水可以在温度升高的情况下进行固液转换，允许在其流体状态下直接注入皮肤，并在皮肤温度下凝固。墨水的交联可以通过波长为 395-405 nm的可见光触发。由此产生的薄膜拥有 7.48 MPa的出色机械强度和 3.57x105 S/m 的导电性。这个灵活的系统带有用于光耗散的波导集成了注射模板、可控光照、光子固化和生物电位监测等功能。该系统甚至可以在 8 g 的加速度下进行动态监测。电极材料和柔性系统的结合产生了一个耐用的可穿戴设备，能够承受激烈运动、大量出汗和不同的表面形态。该系统收集的 24小时数据可用于监测日常活动和健康状况，为及时发现心脏异常提供可能。

尽管只是通过心电图监测来证明，同样的概念也可用于开发其他生物电势测量设备，以提供稳定和导电的皮肤界面。稍微修改墨水的成分以提供对压力敏感或对温度敏感的特征，在现场构建不同的传感器也是可行的。为了提高该系统在极端运动和加速中的能力，进一步的改进可能涉及引入高度可伸展的互连，如蛇形、弹簧状和自相似结构，以产生可伸展的混合电子电路，以适应大的皮肤变形，并开发更强大的导电粘合剂，其中包含聚合物增韧剂，如PVA 和海藻酸，以提供更多的分子间纠缠或网络。

文献链接

In Situ Formation of Conductive Epidermal Electrodes Using a Fully Integrated Flexible System and Injectable Photocurable Ink

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01902

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