Advanced Functional Materials: 基于图案化水凝胶与液态金属的自变形柔性电子

柔性电子器件在健康监测、人机交互等领域具有重要的应用价值。柔性电子通常通过采用弹性体作为基体材料,以导电聚合物等导体材料作为可拉伸电路,实现可拉伸、传感监测等功能。近年来,液态金属由于其近乎无限的变形能力、高导电率、良好的生物相容性而受到广泛关注,成为柔性电子的理想材料。目前大部分基于弹性体的柔性电子器件,其力学性能与生物组织不匹配,疏水性基体阻碍了体内物质交换,限制其在可植入器件领域的应用。基于以上考虑,水凝胶在制备可植入柔性电子器件中具有独特优势,其难点是如何在水凝胶中构筑图案化导电网络,从而通过多个传感单元集成实现器件性能的提升。另一挑战在于如何实现二维柔性电子器件对三维物体或器官的包覆与固定。采用胶带、粘附性水凝胶可能会损伤组织器官,且难以实现复杂曲面的有效包覆。

浙江大学郑强吴子良团队通过模板印刷法在水凝胶表面构筑图案化液态金属,制备了一种高性能水凝胶柔性电子。通过加入镍粉,改善了镓基液态金属图案化能力以及与水凝胶表面的粘附性,所制备的柔性电子器件可对微小应变进行监测。在此基础上,通过在凝胶基体中构筑梯度结构,使柔性电子器件具有自变形能力,实现了对物体或者组织器官的有效包裹与固定。这种通过主动变形实现器件固定的策略,有助于提高器件与器官间的贴附并提高器件的传感效果。

图1. 印刷法制备含有图案化液态金属的水凝胶柔性电子器件。

通过模板印刷法,可在高强水凝胶表面快速构筑复杂的液态金属图案。水凝胶中分子内、分子间氢键赋予其优异的力学性能,而被氧化的液态金属(Ga2O3)与凝胶表面聚合物之间的氢键则赋予两者优异的粘结性能。液态金属的高导电性与图案化能力,有利于设计制备不同功能的柔性器件。

图2. 通过在水凝胶基体中构筑梯度结构制备具有自变形能力的柔性电子。

在水凝胶中构筑梯度结构可赋予柔性电子自变形能力,在外界刺激下通过自发变形实现对物体的包覆与固定。研究结果表明,该柔性电子具有优异的传感功能,包覆在橡胶管上的柔性电子可以高灵敏检测其膨胀、弯曲变形。这种具有自变形能力的水凝胶柔性电子器件还可以自动包覆黄鳝身体或兔子心脏,实时监测黄鳝身体摆动以及兔子心脏的舒张变形。自变形策略可适用于其他响应性基底材料,从而拓展柔性器件在医疗器械、软体机器人等领域的应用。

图3. 自变形水凝胶柔性电子器件用于检测动物身体摆动和心脏舒张变化。

该研究工作得到国家自然科学基金和浙江省科学自然基金的支持。

论文信息:

Self-Shaping Soft Electronics Based on Patterned Hydrogel with Stencil-Printed Liquid Metal

Xing Peng Hao, Chen Yu Li, Chuan Wei Zhang, Miao Du, Zhimin Ying, Qiang Zheng, Zi Liang Wu*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105481

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105481