《Applied Materials & Interfaces》：用于一體化柔性可穿戴設(shè)備和生物電子器件的印刷納米材料（IF=9.589）

背景：

印刷技術(shù)的最新進(jìn)展允許制造各種可穿戴傳感器、電路和集成電子產(chǎn)品。然而，大多數(shù)印刷工具處理油墨粘度的范圍有限，工作距離短，特征尺寸有限，無(wú)法開(kāi)發(fā)復(fù)雜的電子產(chǎn)品。本文介紹了一種通過(guò)多層、多納米材料印刷的一體化集成可穿戴電子系統(tǒng)。多功能、高分辨率氣溶膠噴射印刷可以成功打印Cu納米顆粒、Ag納米顆粒、PEDOT:PSS和聚酰亞胺(PI)，以制造納米膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括皮膚接觸電極和無(wú)線(xiàn)電路。沉積在Cu上的印刷聚合物PEDOT:PSS可確保直接接觸皮膚時(shí)的生物相容性，同時(shí)增強(qiáng)電極的電導(dǎo)率。自組裝單層有助于Cu納米顆粒更好地粘附在PI上。此外，使用強(qiáng)脈沖光，光子燒結(jié)方法可最大限度地減少Cu氧化，同時(shí)避免熱損傷。綜合實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究顯示了印刷集成設(shè)備的機(jī)械靈活性和可靠性。對(duì)于人類(lèi)受試者，靈活的無(wú)線(xiàn)生物電子系統(tǒng)在檢測(cè)皮膚上的高保真生理信號(hào)方面表現(xiàn)出色，包括肌電圖、眼電圖、心電圖和運(yùn)動(dòng)，證明了其在便攜式人類(lèi)醫(yī)療保健和持久人機(jī)界面方面的潛在應(yīng)用。

文獻(xiàn)介紹：

各種印刷技術(shù)對(duì)柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響，特別是在生物傳感器領(lǐng)域。不同的印刷技術(shù)，例如噴墨印刷(IJP)、絲網(wǎng)印刷(SP)、3D打印(3DP)、彎月面引導(dǎo)印刷(MGP)和氣溶膠噴射印刷(AJP)，已被用于制造用于生物傳感應(yīng)用的電極和電路。這些方法能夠創(chuàng)建輕便、靈活且貼合皮膚的設(shè)備，從而能夠監(jiān)測(cè)生理信號(hào)，包括肌電圖(EMG)、心電圖(ECG)、眼電圖(EOG)和腦電圖(EEG)。其中，AJP因其高分辨率圖案化、可擴(kuò)展性和減少材料浪費(fèi)而脫穎而出，使其成為直接在各種基材上創(chuàng)建復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)的有吸引力的選擇。與其他印刷技術(shù)相比，AJP可以處理各種油墨粘度（從1到1000cP），而無(wú)需使用掩?；蚱聊?，為制造柔性和可穿戴設(shè)備提供了多功能性。然而，雖然許多研究已經(jīng)使用不同的印刷技術(shù)來(lái)形成電極和電路，但很少找到將這兩種元素結(jié)合在一項(xiàng)研究中以使用綜合方法檢測(cè)多種生理信號(hào)的研究。

此外，大多數(shù)現(xiàn)有工作依賴(lài)于昂貴的材料，例如銀、石墨烯和液態(tài)金屬。雖然石墨烯因其生物相容性和可焊性而被廣泛利用，但它通常表現(xiàn)出有限的電氣和機(jī)械性能，導(dǎo)致某些應(yīng)用的性能不理想。相比之下，銅是一種具有顯著更高電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)高效的替代品，使其成為印刷電子產(chǎn)品的有希望的候選材料。8然而，銅也存在一些挑戰(zhàn)，特別是其易氧化、生物相容性問(wèn)題以及易受汗液等物質(zhì)腐蝕。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們的工作采用了一種成熟的方法，即使用PVP和NaH₂PO₂-H₂O合成銅墨水，并結(jié)合AJP。這種組合可以制造具有更高精度和可擴(kuò)展性的復(fù)雜多層電極和電路，這在之前的研究中尚未被探索過(guò)。此外，通過(guò)仔細(xì)控制Cu納米粒子的粒度分布（這些粒子隨時(shí)間保持良好分散和穩(wěn)定），我們確保了更好的可印刷性和一致的電氣性能。Cu的另一個(gè)主要問(wèn)題是其易受熱損傷，這是由于其熱膨脹系數(shù)與柔性基板不匹配。這些問(wèn)題限制了其在印刷電子產(chǎn)品中的廣泛使用。為了解決這些問(wèn)題，人們探索了低溫?zé)Y(jié)方法，例如強(qiáng)脈沖光(IPL)燒結(jié)，以最大限度地減少熱損傷。然而，盡管取得了這些進(jìn)展，但仍需要額外的保護(hù)策略，例如應(yīng)用PEDOT:PSS作為覆蓋層，以防止氧化并提高Cu電極的生物相容性。本文研究了各種納米材料、SAM處理、IPL燒結(jié)和AJP方法，以開(kāi)發(fā)完全印刷、一體化、集成的柔性電子產(chǎn)品。我們專(zhuān)注于集成多種材料來(lái)制造集成傳感器的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，以測(cè)量人體皮膚上的各種生理信號(hào)。通過(guò)優(yōu)化，我們可以成功打印各種油墨，例如CuNPs、AgNPs、PEDOT:PSS和PI，以開(kāi)發(fā)柔性膜電極和電路。為了解決Cu的固有局限性并實(shí)現(xiàn)更低的電阻率，我們探索了自組裝單層，以增強(qiáng)CuNPs的粘附性，并采用IPL光子燒結(jié)來(lái)最大限度地減少燒結(jié)過(guò)程中的熱損傷。此外，PEDOT:PSS沉積在CuNPs上以防止氧化并確保生物相容性，使其適合長(zhǎng)期生理監(jiān)測(cè)。與其他打印技術(shù)相比，本研究提出的綜合方法可以制造更具成本效益但性能更高的無(wú)線(xiàn)可穿戴電子產(chǎn)品。通過(guò)展示該設(shè)備在人類(lèi)受試者身上的性能，展示了所制造的一體化無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)在檢測(cè)各種生理信號(hào)（如EMG、ECG、EOG和運(yùn)動(dòng)）方面的多功能性；該單一設(shè)備平臺(tái)的信號(hào)質(zhì)量與使用笨重電子設(shè)備和剛性傳感器的臨床級(jí)設(shè)備一樣好?？偟膩?lái)說(shuō)，這項(xiàng)使用打印方法和各種納米材料的研究為使用集成可穿戴平臺(tái)開(kāi)辟了機(jī)會(huì)，當(dāng)針對(duì)便攜式人體健康監(jiān)測(cè)、持續(xù)疾病診斷和治療時(shí)，通過(guò)將傳感器與執(zhí)行器和康復(fù)工具相結(jié)合。

引用：https://doi.org/10.1021/acsami.4c17939

本網(wǎng)站所發(fā)表內(nèi)容轉(zhuǎn)載時(shí)會(huì)注明來(lái)源，版權(quán)歸原出處所有（無(wú)法查證版權(quán)的或未注明出處的均來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)搜集）。轉(zhuǎn)載內(nèi)容（視頻、文章、廣告等）只以信息傳播為目的，僅供參考，不代表本網(wǎng)站認(rèn)同其觀點(diǎn)和立場(chǎng)。內(nèi)容的真實(shí)性、準(zhǔn)確性和合法性由原作者負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除，此轉(zhuǎn)載不作為商業(yè)用途