课题组新闻

课题组关于空间刚度可调的水凝胶集成电子器件的合作研究被高分子科学前沿报道!


2019-09-01

近年来,利用柔性可穿戴电子实现个性化运动和健康监测已逐渐成为生物医学工程的研究热点。柔性可穿戴电子主要由软质基底材料和硬质电子元器件两部分构成。其中,软质基底材料与人体皮肤等直接接触,需具备良好的生物相容性,并能顺应人体正常活动情况下皮肤的拉伸、延展;硬质电子元器件通过测量电压等信号实现人体物理(如脉搏、关节运动)、电生理(如心电、肌电)和生化(如葡萄糖、离子浓度)等的检测,评估人体健康状况。传统的柔性可穿戴电子基底材料(如聚二甲基硅氧烷(PDMS))存在生物相容性不足、力学性质与人体皮肤不匹配的问题,长期佩戴会带来不适感,甚至造成皮肤炎症,极大影响了柔性可穿戴电子的实际应用。近些年,各种水凝胶材料逐渐被应用于柔性可穿戴电子的研究,其良好的生物相容性进一步提升了可穿戴柔性电子的友好用户体验。通常情况下,商用电子元器件通过直插等方式简单集成于电路基板上,进而实现特定功能。不过对于柔性电子而言,在实际应用场景中,软质基底需要承受力学拉伸产生较大变形,难以延展的硬质器件常常会因为应变不匹配而脱落,影响其功能的稳定实现。因此,解决硬质电子元器件与软质水凝胶基底材料的集成问题对柔性可穿戴电子的性能稳定和功能拓展具有重要意义。

西交大仿生工程与生物力学研究所(BEBC)一直围绕“力学基础理论-生物技术研发-应用推广”的学术理念,坚持将力学理论模型用于生物材料设计和实际的应用场景中。前期大量工作通过设计水凝胶的合成方式和条件(如密度、交联方式、离子种类和浓度等),实现了水凝胶理化性质在时空尺度上的精确调控,制备了多种不同性质的水凝胶模型,并有效应用于组织修复和细胞微环境构建中(Adv. Mater., 2018, 30, 1705911. Small, 2018, 1801711. Chem. Rev., 2017, 117, 20, 12764. Small, 2016, 12, 4492. Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 5999)。

基于前期水凝胶力学性能调控的研究,他们提出了一种简便易行的方法,解决了硬质电子元器件与软质水凝胶基底材料的集成问题:通过空间尺度调控水凝胶的力学性质(刚度),实现了其局部形变抑制,保障了水凝胶柔性可穿戴电子在大变形条件下的功能实现。该方法通过二次交联局部硬化水凝胶的方式,将硬质电子元器件集成加固于水凝胶硬化区域。硬化区域刚度相较于未硬化区域提升了近10倍,因此,在外部载荷较大情况下,局部硬化区域水凝胶所承受的应变大幅降低,而未硬化区域仍可保证整体的拉伸性。例如,当水凝胶基底整体拉伸变形100%时,硬化区域最低承受应变仅为12%。实现了优良且可调控的应变屏蔽能力,可有效防止电子元件在大变形下(如150%的拉伸应变)从基板上分离,保障器件功能的稳定输出。进一步应用力学模型对局部硬化处理后水凝胶材料的应变分布进行分析,结果表明局部硬化位置水凝胶所承受的应变大幅降低,从而验证了该方法对于水凝胶力学性质(刚度)的空间调控及局部形变抑制的可行性。  

 

 

 

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图1. 基于空间刚度可控水凝胶的柔性电子。   (a) 利用不同价态阳离子交联水凝胶(聚丙烯酰胺-海藻酸钠)实现刚度调控。   (b) 局部硬化水凝胶的应变屏蔽作用分析。   (c) 二次交联离子扩散机理分析。   (d) 局部硬化水凝胶对于拉伸条件下硬质电子元件的保护作用。   (e-i) 局部硬化水凝胶用于实现多功能、集成可穿戴柔性电子(e, f)及健康监测功能展示:   (g) 温度、(h) 紫外辐射及(i) 肌电传感。

 

基于该水凝胶局部硬化方法,他们开发了一种多功能水凝胶柔性电子传感装置,实现了在多器件集成下的温度、紫外辐射和肌电等信号的监测等功能,拓宽了可穿戴设备在医疗领域中的应用前景。该局部硬化的方法对水凝胶柔性电子材料具有普适性,今后可被用于多种元器件在水凝胶基底上的集成,搭建用户友好的可穿戴人-机交互界面,实现在个性化运动、健康监测领域的应用。

上述研究结果以“Spatially Modulated Stiffness on Hydrogel for Soft and Stretchable Integrated Electronics”为题发表在   Materials Horizons上。西安交通大学生命科学与技术学院博士生   刘灏为第一作者,   徐峰教授和   李菲教授为共同通讯作者,其他作者包括BEBC博士生李墨筱、贾朋朋,硕士生郭晓锦,冯上升副教授以及南京航空航天大学的刘少宝博士和卢天健教授。作者专业领域涵盖生物医学工程、生物力学、化学等不同学科背景,充分展现了BEBC理论与实践紧密结合的多学科交叉合作研究理念。西安交通大学为本工作的第一和唯一通讯单位,该工作也得到了国家自然科学基金等的支持。   

文章链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/mh/c9mh01211g#!divAbstract