随着万物互联(IoE)时代的到来,柔性电子快速发展,未来的柔性电子器件将像人类皮肤一样具有柔韧性、可拉伸性与回弹性。柔性可拉伸导体是构筑柔性电子器件必不可少的组件,发展可拉伸导体已成为柔性电子这一新兴科技领域的研究前沿。相比于可拉伸电子导体,可拉伸离子导体具有本征可拉伸性,表现出较大的变形能力以及易于制备和加工的优势;同时,可拉伸离子导体更容易实现高透明度,允许在不阻碍光信号的情况下传输电信号,可拓宽其在柔性电子领域中的应用。因此,可拉伸离子导体已经成为开发柔性电子器件不可或缺的重要基础材料。

近年来,人们报道了大量的基于水凝胶(水为溶剂)和离子凝胶(离子液体为溶剂)的可拉伸离子导体,并发展了多种多样的水凝胶和离子凝胶基柔性电子器件。然而,水凝胶无法克服的失水干燥问题阻碍了水凝胶基电子器件在开放环境中的实际使用。离子凝胶存在离子液体泄露的问题(特别是当凝胶发生压缩和拉伸形变时),其毒性阻碍了离子凝胶在人体可穿戴电子设备中的实际应用,同时也限制了离子凝胶基电子器件的长期稳定服役。因此,创制兼具服役稳定性与生物安全性的可拉伸离子导体将为柔性电子的发展带来新机遇、开辟新路径。

无溶剂超分子离子导电弹性体(SF-supra-ICE)的制备、结构及加工

tyc1286太阳集団刘小孔教授课题组和深圳先进院刘志远研究员合作提出了超分子封装的理念,利用生物相容性的PVA通过高密度氢键交联对可电离的天然无毒小分子IP6进行封装,发展了兼具服役稳定性与生物安全性的无溶剂超分子离子导电弹性体(solvent-free supramolecular ion-conductive elastomer,SF-supra-ICE)该弹性体的室温离子电导率高达3.3×10-2S m-1,具有类似皮肤的柔韧性、回弹性和应变诱导硬化特性,同时还具有高透明度、透气性、自粘附性。SF-supra-ICE的制备极为简便,仅由前驱体水溶液经一步自发的水蒸发过程即可得到,可进行多样化的加工成型。将SF-supra-ICE的前驱体溶液作为墨水,通过涂抹、绘制、打印等方式可在人体皮肤上构筑个性化的“离子纹身(I-tattoos)”,进而构建多功能的皮肤电子器件,用于人体电生理信号采集监测、人机交互、精准诊疗等领域。该工作以题为“Solvent-Free and Skin-Like Supramolecular Ion-Conductive Elastomers with Versatile Processability for Multifunctional Ionic Tattoos and on-Skin Bioelectronics”的文章发表于Advanced Materials上。

该工作的创新性研究结果包括如下两个方面:

1.不同于水凝胶和离子凝胶,SF-supra-ICE不含溶剂,这一特点不仅赋予SF-supra-ICE长期稳定的类皮肤力学性能及导电性能,同时赋予其极佳的生物安全性。SF-supra-ICE不会导致人体皮肤过敏与不适,小动物经喂食后也没有不良反应产生。SF-supra-ICE的长期服役稳定性与生物安全性使其在柔性电子器件领域表现出广阔的应用前景。

2.与“电子纹身(E-tattoo)”形成对照,提出了“离子纹身(I-tattoo)”的概念,并发展了基于I-tattoo的多功能皮肤电子器件。I-tattoo与人体皮肤超适形无缝贴合,可作为皮肤电极对各种人体电生理信号(心电ECG、肌电EMG、脑电EEG)进行长期、高保真的采集监测。相比于此前报道的和商业化的皮肤电极,I-tattoo电极在性能和成本方面均具有显著优势。基于I-tattoo构建的皮肤电子器件可应用于人机交互;通过打印构筑的高密度I-tattoo皮肤电极阵列可用于诊断人体肌肉和脊柱的健康状况,助力精准与智慧医疗。

SF-supra-ICE与水凝胶基可拉伸导体的稳定性对比

基于SF-supra-ICE的离子纹身(I-tattoo)及生物安全性

I-tattoo作为超适形皮肤电极用于人体电生理信号采集监测

I基于I-tattoo皮肤电极的人机交互

基于I-tattoo电极阵列的高密度表面肌电采集用于精准诊疗

总结:这项工作所报道的无溶剂离子导电弹性体SF-supra-ICE具有显著的服役稳定性与生物安全性的优势,在柔性电子器件、可穿戴电子设备等领域具有广阔的应用空间;基于SF-supra-ICE的离子纹身(I-tattoo)因易制备、低成本、性能佳等优势在人体电生理信号采集、人机交互、脑机接口、精准与智慧医疗等领域表现出巨大的实用价值和市场潜力。相关材料与技术已申请中国发明专利。该项工作得到了tyc1286太阳集団生命科学学院李全顺教授课题组在动物实验方面的帮助。

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304157

刘小孔教授及课题组简介:国家海外高层次人才青年项目入选者,第十三届全国青联委员,国家重点研发计划项目课题负责人,吉林省化学会理事。2017年3月起在超分子结构与材料国家重点实验室任教授、博士生导师;长期从事超分子聚合物材料方面的研究,相关成果在Adv. Mater.,Angewandte Chemie,CCS Chemistry,ACS Nano等高水平学术期刊发表,并多次被C&En,MRS Bulletin等杂志专题报道;任Supramolecular Materials杂志编委,Chinese Chemical Letters,Chinese Journal of Chemistry等杂志青年编委。

刘小孔教授课题组面向世界科技前沿与国家重大需求,围绕动态交联超分子聚合物材料,发展基于超分子非共价作用及动态共价化学的聚合物制备新策略,开展“化学结构-材料性能-功能应用-器件构筑”的一体化、交叉式科学研究,主要研究兴趣包括:高性能可循环可降解聚合物材料,可拉伸导电材料及柔性电子器件,聚合物基固态锂电池及自清洁涂层材料等,旨在实现从前沿基础研究与应用技术研发到产业转移转化的跨越。

课题组常年招收博士生及博士后,欢迎交流合作,感兴趣的同学和企业可联系: xiaokongliu@jlu.edu.cn