南洋理工大学陈晓东课题组Adv. Funct. Mater.：用于皮肤电子学的机械互锁水凝胶-弹性体混合物

【引言】

软电子产品在健康监测，人机界面和软机器人方面的应用正吸引着巨大的关注。皮肤可附着的传感器是可伸展电子设备的一种流行形式，它允许以无创方式连续记录生理信号。已经确定粘附电极与皮肤的机械匹配是关键的设计方面。特别地，皮肤是杨氏模量在0.1-2 MPa范围内的软器官。具有与皮肤相似的机械性能的软电极可以贴合地弯曲在弯曲的皮肤上，从而确保信号保真度和佩戴舒适度。聚合物由于其低的机械刚度而最适合用于软电极。水凝胶是一种能够包含大量水的聚合物网络，由于其非凡的柔软性和可拉伸性以及离子电导率和生物相容性，在生物电子领域引起了越来越多的关注。尽管离子电导率已用于各种电子应用，但实际应用仍需要电子传导才能与外部设备无缝连接。因此，已经进行了许多努力来使水凝胶具有电子导电性。例如，将导电聚合物，金属基纳米线和碳纳米材料掺入本体水凝胶中，形成导电复合材料。尽管成功地实现了导电性，但由于高刚度材料的体积载荷，不可避免地损害了本来柔软而有弹性的水凝胶的机械性能。

【成果简介】

南洋理工大学的陈晓东教授通过机械联锁报道了坚固的水凝胶-弹性体杂化物。机械互锁结构不仅可以产生稳定的粘合，而且可以实现机械上柔软且导电性高的电极。互锁结构是通过将水凝胶前体渗透到多孔热塑性聚氨酯（TPU）纤网中，然后进行热固化来实现的。在水凝胶前体渗透之前，通过在TPU网上热蒸镀Au纳米膜，赋予了导电性。混合电极显示出机械柔软性和自粘性。机械互锁混合体中水凝胶和弹性体之间的结合强度达到50.9 J/m²，是物理连接结构的14.3倍。作者证明了混合电极可用作皮肤电电极，用于记录包括肌电图（EMG）和心电图（ECG）在内的电生理信号。提出的策略是在柔性电极中实现机械柔软性和电子导电性的有效方法，尤其是对于像水凝胶这样的材料，无法通过常规电子加工技术进行加工时。该成果以题为“Mechanically Interlocked Hydrogel–Elastomer Hybrids for On-Skin Electronics”发表在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1.机械互锁电极的结构和制造过程示意图

a）机械互锁电极的示意图。水凝胶被锁定在导电的多孔弹性体纤维网中以形成混合结构

b）基于机械互锁的混合电极的制造过程示意图：I）通过TPU的电纺丝获得多孔的TPU网；II）在TPU纤维网的表面上沉积金纳米膜层；III）将水凝胶前体渗透到TPU/Au纤维网中，然后进行热固化以实现机械互锁的电极

图2.TPU纤维网和机械互锁混合纤维的形态和力学性能

a）静电纺制厚度为55 µm的TPU纤维网的SEM图像

b）机械互锁的水凝胶-TPU杂化物的横截面SEM图像

c）互锁层的放大截面SEM图像

d）不同厚度的TPU纤维网的应力-应变曲线

e）不同纤网厚度的TPU纤网的杨氏模量

f）互锁混合动力的应力-应变曲线。在混合结构中，TPU网和水凝胶的厚度分别为0.05和2 mm。在应力-应变曲线中出现了557％应变的拐点。这是因为混合型中的刚性TPU纤维网首先破裂，从而耗散了大量的破裂能量。

图3.水凝胶的性能表征

a）90°剥离测试的粘合强度示意图

b-d）b）互锁杂种，c）HTWC和d）HTFC的剥离过程的光学图像

e）互锁杂件，HTWC和HTFC的水凝胶片每宽度上测得的剥离力。TPU纤维网的厚度约为83 µm

f）HTFC，HTWC和互锁杂化物的界面韧性性能

g）不同TPU纤维网厚度的联锁杂种的界面韧性性能

图4.机械互锁的混合动力作为用于检测肌电信号的皮肤电极的演示

a-c）互锁式混合电极的光学图像附着在手腕上a）处于静止状态，b）向内弯曲状态和c）向外弯曲状态；电极尺寸为25×10毫米。这些结果表明互锁混合电极在机械上柔软且具有高皮肤粘合性

d）使用附着在上臂上的互锁混合电极进行EMG测量设置的光学图像，电极尺寸的直径为20 mm。将第三个参比电极放在手掌上

e）皮肤/互锁电极，皮肤/TPU/Au电极和皮肤/商业电极的阻抗比较。测试是在相同面积的电极和间距为40 mm的条件下进行的

f）互锁电极和TPU/Au电极检测到的EMG信号

g）互锁电极与TPU/Au电极的SNR比较h）互锁电极在检测EMG信号方面的持久性能。

i）不同周期数下互锁电极的SNR比较

【总结】

在这个工作中，作者报道了通过将水凝胶与导电弹性体网组装在一起而具有高电气性能的机械互锁的水凝胶-弹性体杂化体。机械互锁结构是通过将水凝胶前体渗透到多孔TPU纤维网中，然后进行热固化以形成水凝胶-TPU杂化体来实现的。杂化物在水凝胶和TPU之间显示出高的结合强度。同时，混合电极保留了水凝胶的机械柔软性和TPU/Au纤维网的高电导率，从而实现了与皮肤的低界面阻抗。所制造的混合电极可用作皮肤上电极，以可靠地记录EMG和ECG信号。坚固的混合电极在多个周期后仍能很好地检测信号。这个研究提供了一个新的观点，即通过互锁的界面层来桥接柔软的聚合物基材和易碎的导电膜，从而获得柔软而高性能的电极。预计该策略通常适用于柔性电子产品。此外，通过引入互锁结构将异种材料的独特但互补的优点融合在一起，它可以在各个领域中获得新的应用。

文献链接：Mechanically Interlocked Hydrogel–Elastomer Hybrids for On-Skin Electronics. Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201909540.

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