Adv. Funct. Mater.：基于柔性电子学中开放蜂窝状轻薄弹性衬底的化学传感系统

【引言】

近年来柔性和可延展电子器件的进步为在人体任何部位的表面和任何器官系统中建立高级生理记录系统奠定了基础。由于使用在这些平台上的生物兼容性材料具有较低的弹性模量和抗弯刚度，因此这些器件可以结合在柔软的生物组织上持续不断地收集医疗保健的相关数据，并且没有机械诱导下的刺激、不适或者界面间的降解。尽管通过先前的研究已经建立了共形和稳固的接触，然而，材料和设计的小型化或消除对于自然扩散或通过器件的流体对流的研究并不多。开放、蜂窝状衬底的设计包含了多孔和平面的结构，分别对应着流体的输运和器件支持。这种结构使得流体通过低模量的弹性薄膜进行扩散的同时保持了传感器之间的牢固接触。虽然这提供了很多具有吸引力的特性，但是在这种衬底上集成电极和电子器件仍然是具有挑战性的工作。

【成果简介】

近日，来自美国西北大学的John A. Rogers（通讯作者）等人阐述了在具有精心设计的蜂窝状衬底上制作轻薄、可延展性离子传感器的材料、设计及其集成策略，并对化学传感和机械响应中的重要特性进行了研究。结合实验测量和理论模拟建立了蜂窝状衬底中低模量、可延展特性设计的重要原则，同时实现了对化学成分的时间-空间分布的研究。作为与生物功能相关且包含有价值信息的细胞外流体化学成分，这个概念的引入对通过皮肤和内脏集成电子器件具备潜在的应用价值，其中，柔软的机械性能、流体可渗透性和先进的化学传感特性是其中的关键要素。上述研究成果以“Chemical Sensing Systems that Utilize Soft Electronics on Thin Elastomeric Substrates with Open Cellular Designs”为题发表在2017年1月9日的Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图1 在蜂窝状衬底上的轻薄、可延展离子选择性传感器阵列

（a）传感器设计的示意图

（b）蜂窝状衬底上制备的离子传感器光学照片

（c）PEDOT/PSS前微制作过程和离子选择性薄膜涂层的光学照片

（d）PEDOT/PSS前后的电极和离子选择性薄膜涂层的SEM图

（e）具有薄膜涂层的离子选择性电极的截面图

（f）浮于蜂窝状衬底上一开口的蛇形连接

（g）通过蜂窝状衬底的水渗透性测试

（h）具有蜂窝状衬底时离子扩散的模拟时间序列

（i）没有蜂窝状衬底时离子扩散的模拟时间序列

图2 蜂窝状衬底的机械性能

（a）不同孔隙率时的应力-应变曲线

（b）不同孔隙率时的泊松比

（c）60%拉伸下低孔隙率（40%）时蜂窝状衬底的数值计算结果（左）和光学照片（右）

（d）60%拉伸下高孔隙率（80%）时蜂窝状衬底的数值计算结果（左）和光学照片（右）

（e）30%拉伸下具有离子传感器的蜂窝状衬底的数值计算结果

（f）30%拉伸下具有离子传感器的硬质衬底的数值计算结果

（g）30%拉伸下具有离子传感器的蜂窝状衬底的光学照片

（h）30%拉伸下具有离子传感器的硬质衬底的光学照片

（i）蜂窝状衬底在有/无传感器时的应力-应变曲线

图3 选择性离子传感及空间分布图：不同离子的开路电压（OCV）响应

（a）盐溶液中K⁺传感器的开路电压响应

（b）盐溶液中H⁺传感器的开路电压响应

（c）盐溶液中Ca⁺传感器的开路电压响应

（d）K⁺离子选择性电极的可逆性

（e）K⁺离子选择性电极相对于Na⁺的选择性

（f）K⁺离子选择性电极相对于H⁺的选择性

（g）实验装置示意图

（h）衬底设计对OCV响应的依赖性

【小结】

本文提供的材料、设计和集成策略为监测细胞外流体中的生物指标化学传感器的制作提供了框架。通过传感器的流体可渗透性最大程度地减少了由于传统衬底的非渗透性诱导的累积。作为一种生物电学传感器的先进形式，蜂窝状设计的思路在电学-生理学信号和化学生物指标等其他类型的监控系统中也有应用潜力。

文献链接：Chemical Sensing Systems that Utilize Soft Electronics on Thin Elastomeric Substrates with Open Cellular Designs（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605476）

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！