用于可穿戴和植入式设备的1.3微米薄弹性导体

近年来，工程师们一直致力于开发能够为未来设备提供动力的越来越复杂和越来越小的电子元件。这包括可以很容易地戴在皮肤上或植入人体内部的薄而可拉伸的组件。

日本理化学研究所、南洋理工大学、新加坡国立大学、东京大学以及日本、新加坡和中国其他研究所的研究人员最近发现了一种新型弹性电导体，厚度为1.3微米。这种导体在NatureElectronics上发表的一篇论文中介绍，可以促进可穿戴和植入式传感器的发展。

“超薄电子设备可以与曲面形成共形界面，佩戴时不会被人体感知，植入动物体内也不会引起强烈的异物排斥反应(FBR)，”开展该研究的研究人员之一姜志说。，告诉TechXplore。

“以前，超薄电子设备是在聚酰亚胺、聚对二甲苯和SU8等塑料薄膜上构建的。但是，在可穿戴和可植入应用中，这些设备可能会与人体皮肤和某些器官(例如心脏、肌肉和神经)发生变形，因此它们需要可拉伸。”

Jiang和他的同事最近工作的主要目标是创造一种可拉伸材料，以支持超薄可穿戴和植入式电子设备长期稳定运行。为此，他们使用FDA批准的弹性体(称为聚二甲基硅氧烷(PDMS))制作了一层1.2μm厚的薄膜。然后，他们使用这种薄膜作为通常用于制造生物相容性电子设备的塑料薄膜的替代品。

“以前，所有PDMS-Au导体都使用厚PDMS薄膜(厚度从几十到几百微米不等)，它与有纹理的人体皮肤和小尺寸器官(坐骨神经和肌肉束)的界面较差，”Jiang说。

“此外，人体皮肤随时都需要呼吸，而厚PDMS薄膜的透气性不足以做到这一点。通过将厚度降至1.2μm，超薄PDMS薄膜显示出高透气性，不会阻碍皮肤的透气性。”

为了制造弹性导体，研究人员首先使用一种称为旋涂的技术制作了1.2μm厚的PDMS薄膜。然后，他们将这种超薄膜转移到100μm厚的PDMS涂层玻璃上，并热蒸发了50nm厚的金(Au)层。

“使用荫罩，我们可以对导体进行图案化并形成具有高分辨率(100µm)的多通道电极阵列，”Jiang说。“然后，使用另一个超薄PDMS薄膜作为封装层，我们有选择地暴露小面积Au作为电极位置。封装是通过O2等离子体处理后两个PDMS薄膜的紧密结合实现的。”

由于其独特的微裂纹设计，该团队的PDMS-Au材料被发现具有高度可拉伸性，远远超过过去测试的塑料薄膜。值得注意的是，其制造工艺也与现有的微电子制造方法高度兼容，这有利于其大规模生产。

“通过比较皮肤和神经界面的不同厚度的电极，我们证明了无缝界面可以促进电刺激传递和电信号记录过程，”Jiang说。“电子设备和组织之间的界面首次被发现对神经极为重要。因此，我们的研究和我们发现的现象应该对其他设备/组织界面的创建具有洞察力。”

Jiang和他的同事使用的在PDMS上增加金微裂纹的策略导致材料可以拉伸高达300%，并保持其导电能力。将来，其他研究人员可以使用这种策略来设计替代的基于微裂纹的可拉伸材料。

此外，最近这篇论文中介绍的新导体可用于制造更可靠的可穿戴和植入式微电子设备。该团队已经使用它来制造可应用于人体皮肤的透气防水电极，以及可检测机械力和植入式神经电极的3µm薄传感器。

“我们现在正在探索两个主要的研究方向，”简补充道。“第一个目的是从设备工程的角度进一步提高我们的超薄弹性导体的性能。其次，我们正在与生物科学家合作，探索我们的超薄弹性电子设备作为理解生物现象的强大工具的潜力。”

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