超薄可拉伸弹性导体，​可用于多种人体传感器

为保证人的舒适性，运用于人体的传感器往往需要实现100%的弹性拉伸和以及超薄透气。尤其是可植入的电子设备，往往只由有几微米厚，并足够柔软的弹性导体构成，这样才能于人体复杂三维结构形成无缝接触。这种柔性导体通常由可拉伸聚合物（如聚二甲基硅氧烷、SBS橡胶、聚氨酯或氟橡胶）和导电填料（如纳米线、纳米颗粒、碳纳米管或石墨烯）混合制成。由于这一类材料的导电性取决于聚合物内导电填料之间的相互接触，所以这类材料往往在拉伸的条件下难以保持比较良好导电性。

如果需要实现保证柔性导电弹性体在拉伸的情况下实现良好的导电性，则需要一些在材料微观结构上的设计。比如通过使用具有高长宽比的金属纳米纤维作为导电填料，并将其定向排列在在较薄的聚合物层上，就可以同时实现高导电性和可拉伸性。另外，运用液体金属作为导电填料分散于聚合物基底种,由于液体金属基导体固有的流体特性，在导电弹性体在发生较大形变是，液体金属之间的链接仍然可以保持。但是这类方式所使用的金属填料往往制备过程过于复杂。

利用热蒸发的方式在弹性聚合物基底的表面镀上金属薄膜是一种十分便利的制备导电弹性体方式。近年来，已经有工作报道在聚氨酯-PDMS纳米膜上通过这种方式镀金属膜，既可以实现良好的贴合性能和透气性能，又可以保证传感器所需要的导电性能。但是由于在拉伸情况下，便面沉积的金属层会产生裂纹，导致接触不良，因此这类材料在有稳定的电导率的条件下，最大拉伸能力约为30%。性能没有达到植入人体传感器或体表传感器所需要的100%或以上的可拉伸性。

近期，东京大学Takao Someya 团队联合南洋理工大学陈晓东教授团队提出一种制备可实现300%拉伸的超薄导电弹性薄膜的简单方法。这种薄膜主要由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和金构成，其厚度约为1.3µm，附着于聚合物基底表面的金层具有受控制的微裂纹形态。这种形态可以保证在拉伸的情况下仍具有优良的导电性。由于其优良的性能，这种材料可以被应用于可透气和防水的皮肤电极，并可以连续记录心电图信号；还可用于表皮应力传感器和植入式神经电极。该工作以题为“A 1.3-micrometre-thick elastic conductor for seamless on-skin and implantable sensors”的文章发表于Nature Electronics上。

为了获得微米厚的PDMS-Au电极的Au层的微裂纹形态，因此在热蒸发镀金过程中，玻璃基板和微米厚的PDMS之间加了一层100µm厚的PDMS层。在热蒸发镀金的过程中，厚PDMS薄膜的热膨胀导致蒸发的金在超薄PDMS上形成微裂纹结构。这种微裂纹架构呈现三分支形状均匀分布在Au层中，这对在拉伸状态下保持导电性至关重要。相比之下，在没有厚PDMS膜的微米厚的PDMS薄膜玻璃上直接形成Au层，几乎没有可见的微裂纹，只有微小的褶皱。因此在没有制备过程中没有加厚PDMS层的情况下，超薄PDMS-Au在17%的拉伸应变内失去了电导率，因为在垂直于拉伸方向的拉伸过程中形成了长长的平行裂纹，这些Au碎片之间没有任何连接。相应的COMSOL模拟优化了厚度对微裂纹形成的条件，证明了由于热应力较大，高温会导致裂纹的形成，但如果温度过高，可能会降低PDMS膜本身的力学性能。

表皮传感器和植入式神经传感器应用

为保证表皮传感器的贴合，在PDMS-Au薄膜与皮肤接触的地方加一层22nm厚的离子导电聚合物层（pDAM）。电极和粘接聚合物的结合，使得电极在皮肤变形和水冲洗情况下保持附着在皮肤上。此外，薄薄的pDAM层不影响电极的气体渗透性，适合长期使用情况下不造成皮肤问题。超薄的PDMS-Au-pDAM电极能够在志愿者进行跑步、游泳等剧烈运动后和洗手过程中，连续8 h记录心电图信号。其信噪比值稳定在37.5 dB，保证了日常生活中生物信号的持续监测不受干扰。

为了展示超薄PDMS-Au电极在植入式电子设备中的应用潜力，通过涂覆聚（3,4-乙基二氧噻吩）（PEDOT）/碳纳米管涂层，将该材料制成了型微米厚的神经电极，作为神经调制/信号记录的高质量接口。超薄PDMS-Au电极具有超低的阻抗，在真空室保存6个月（0.1 Pa），室温盐水浸泡973小时后保持稳定。由于的超薄PDMS-Au电极形变能力，超薄电极和神经组织之间形成了无缝界面，不使用粘合剂或缝线，因此对神经的损伤更少。相比之下，在厚电极与神经组织之间的界面上有明显的间隙。超薄电极与组织之间的无缝界面参与了有效的刺激传递和信号记录，特别是对于超小（~微伏）和噪声大的神经信号。为了刺激肌肉，超薄电极的平均阈值刺激电流（0.32 mA）明显低于厚电极（0.56 mA）。

小结：该工作报道了一种1.3µm厚的可拉伸PDMS-Au弹性导电薄膜的制备方式，这种材料的最大拉伸能力可达300.0%，并且具备良好的机械耐久性（在100.0%应变下，5000次循环，0%应变时电阻增加1.7%）。这种超薄导体来创造可透气、防水的皮肤电极，可以用于在日常生活中以及在跑步和游泳等剧烈运动中连续记录心电信号。这种导电薄膜还可以制备高敏感的超薄神经电极，可以更有效地向坐骨神经提供电刺激（性能比厚电极高2-4倍），这种超薄导电薄膜的制备方法在可穿戴传感器上有比较良好的应用前景。

文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/I9Uq4-XS46FbqbxBH3vxlA