导电和瓶刷状弹性体用于超软电子产品

研究背景

软性和可拉伸电子器件可以提高现有的模仿生物系统传感行为和测量反映一般生理状态的生命体征的能力，使仿生设计能够改善与人类的互动。特别是，对超软(即杨氏模量E < 30 kPa)电子器件的需求越来越大，其应用范围包括深海应用的超温和机器人执行器、人造机器人皮肤和人机界面。这些应用需要解决的一个关键材料挑战是复制生物系统的动态机械特性(如柔软性和延展性)，同时仍然保持长期使用的高性能(如电子传导性和机械耐久性)。在杨氏模量为10 Pa至1 MPa的生物组织和杨模量在1-200 GPa范围内的传统无机电子器件之间固有的机械不匹配，导致设备随时间推移而失效，阻碍了长期的商业效用。设计柔性和可拉伸设备结构的工程方法如结合蛇形和/或网状结构，改善了电子器件的弹性，并能适应一定程度的应变，但其有限的可拉伸性和固有的较高模量可能导致意外的免疫反应和/或组织的局部损伤。另一种方法是使用本质上可拉伸的材料(如水凝胶和离子凝胶)；这些材料含有高水含量或昂贵的离子液体，可以扩散，这限制了它们可以被使用的环境。超薄聚合物片或纳米膜是很好的例子，可以有效地减少机械约束，提高对任意表面的适应性，但具有平面图案的超薄结构需要复杂的设备制造工艺。另外，瓶状弹性体(BBEs)是一类本质上可拉伸的材料，可以在没有溶剂的情况下达到超低的杨氏模量，因为其高度支化的结构由连接到聚合物主干的聚合物侧链组成，与线性类似物相比，导致纠缠减少。此外由于化学成分保持不变，PDMS BBE可以保持与其线性对应物相似的生物相容性和耐化学性然而，现有的BBE主要是由不导电的聚合物(如PDMS)组成，限制了它们在软性和可拉伸电子器件中的应用。

理解生物系统和模仿其功能需要能与生物组织互动的电子工具，并具有相应的柔软度。这些工具涉及到生物界面材料，这些材料应该同时与生物组织的柔软度相匹配，并表现出适当的导电性，以便记录和读取生物电子信号。然而，常用的内在柔软和可拉伸材料通常含有溶剂，限制了长期使用的稳定性，或具有低电子传导性。到目前为止，还不存在一种超软(即杨氏模量<30 kPa)、导电和无溶剂的弹性体。此外，将这种超软和导电的材料整合到电子设备中的探索也不多。

研究成果

本文报告了一种以单壁碳纳米管 (SWCNTS)作为导电填料的无溶剂、超软和导电的 PDMS 瓶坏弹性体(BBE) 复合材料填料浓度为0.4-0.6wt%的导电SWCNT/BBE显示出超低的杨氏模量 (<11 kPa) 和令人满意的导电性 (>2 S/m) 以及粘附性能。此外我们在激光切割和3D 打印导电和非导电的 BBE的基础上制造了超软电子器件，并展示了它们在可穿戴传感、软机器人和电生理记录方面的潜在应用。相关研究以“Conductive and elastic bottlebrush elastomers for ultrasoft electronics”为题发表在Nature Communications。多伦多大学Helen Tran教授及Xinyu Liu教授为文章的通讯作者。Pengfei Xu为第一作者。

图文导读

Fig. 1 | Design of ultrasoft and conductive BBE composites.

Fig. 2 | Characterizations of pure PDMS BBEs.

Fig. 3 | Characterization of the conductive SWCNT/BBE.

Fig. 4 | Laser-cut strain sensors and 3D-printed touch pad based on ultrasoft BBEs.

Fig. 5 | 3D-printed SWCNT/BBE electrodes for ECG recording.

总结与展望

作者开发了一种具有超低杨氏模量(2.98-10.65 kPa)，令人满意的导电性(2.68-13.78 S/m)无溶剂特性、优异的环境稳定性、固有的粘附性和良好的生物相容性的导电 SWCNT/PDMS BBE。SWCNT/BBE的超软性和良好的导电性的本质来自于未缠结的瓶状聚合物网络和渗入聚合物网络中的 SWCNTs，从而导致了具有与软组织相匹配的柔软性的超软电子产品的发展。导电SWCNT/BBE通过激光切割和3D 打印方法成功成型，并进一步集成到基于 BBE的超软电子设备中，如应变传感器和可佩戴电极。作者展示了导电SWCNT/BBE在软体机器人、可穿戴应变感应、人机互动和可穿戴电生理测量方面的应用。尽管更多的理想特性，即更高的导电性，以及这种材料和设备的化学和加工空间，可以得到改善和发展，但该导电SWCNT/BBE代表了开发超软电子产品的一个有前途的材料系统，可以在许多领域找到重要的应用。

文献链接

Conductive and elastic bottlebrush elastomers for ultrasoft electronics

https://doi.org/10.1038/s41467-023-36214-8

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