按压10秒！柔性电子器件实现“乐高式”高效稳定组装
近年来，柔性电子器件在人体健康检测、分析以及可穿戴设备等生物医学工程领域展现出了广泛的应用前景。然而，在柔性电子器件的组装中，连接不同模块的商用导电胶容易变形、断裂，使得接口不稳定性成为该领域内长期存在的难题，严重阻碍了整个器件的拉伸性和信号质量。科研人员绕开用“商业胶水”组装柔性电子器件的思路，开发出一种基于双连续纳米分散网络(BIND)界面，这种新型界面只需要按压10秒钟，就可以实现“乐高式”的高效稳定组装。相关成果2月15日发表于国际期刊《自然》，中国科学院深圳先进技术研究院(简称“深圳先进院”)研究员刘志远与新加坡南洋理工大学教授陈晓东、美国斯坦福大学教授鲍哲南为共同通讯作者，南洋理工大学博士姜颖为第一作者。
一个偶然发现的“魔术贴”
随着柔性电子器件在生物医学工程领域的研究逐渐火热，世界各地的研究团队也开发出了多种柔性电子器件。
“这些柔性电子器件一般都由不同模块组装而成。”刘志远介绍，其基本模块可以分为三类，即直接贴合人体的柔性传感模块、负责数据传输和运算的硅基微电子刚性模块，以及保护器件免受机械磨损和外部侵蚀的封装模块。“由于这三种模块的形状参数、材料性质、加工条件不同，往往要先分开制备，再通过商用导电胶组装在一起，构成不同功能的柔性电子器件。不过，商用导电胶的瓶颈却破坏了柔性电子器件的整体稳定性。”
“无论单个模块的拉伸性多好，只要模块接口处的拉伸性很弱，那么整个器件的拉伸性就会受到制约。”姜颖回忆说，他们曾经把研发的柔性电子器件放在大鼠体内，想长期监测它的动态生理信号，结果接口却在大鼠跑动的过程中断掉了。“这样的器件难以在实际中应用。”姜颖说。
基于此，研究人员一直试图解决这个普遍存在的柔性接口问题，转机发生在2017年。在刘志远到鲍哲南课题组进行访问交流期间，偶然机会，他发现在特定的制备条件下，基于SEBS嵌段聚合物和黄金纳米颗粒的柔性界面，即BIND界面，面对面贴合时，有“魔术贴”式的电气与机械双重黏合特性，这是之前从未报道过的新现象。
拥有超百倍的优异性
针对新发现，刘志远和姜颖一起展开深入研究。他们很快发现，这种柔性界面能够作为柔性模块之间的接口，就像天然的“魔术贴”一样，能够将不同功能的柔性传感器稳定地黏合在一起，从而实现柔性模块与柔性模块之间的高效连接。
除了柔性传感模块之外，柔性电子器件还需要一起组装刚性模块、封装模块等。他们采用OTS修饰等方法将BIND界面制备在硬质模块上，让硬质模块能够高效连接另一个有BIND界面的柔性模块。
“这种方法的普适性很强，就像‘拼乐高’一样，任何带有BIND接口的模块，只要面对面按压在一起，就可以把柔性电子器件更灵活、高效地组装在一起。”姜颖说，“可以匹配工业成熟的工艺，比如柔性聚酰亚胺PCB。”
“我们还基于分子动力学模拟构建了BIND界面的双连续网络生长机理，进而优化了它的电气和机械性能。”刘志远表示。
为了验证这一新型接口在智能柔性医疗器件中的实际应用，团队制备了使用该接口组装的植入式神经调控传感系统，使用国家基金委重大科学仪器项目完成的体表多通道电生理信号传感系统采集电生理信号。
实验表明，采用新型接口的柔性医疗器件能高精度、高保真、抗干扰地监测体内外不同器官，包括表皮、脑皮层、坐骨神经、腓骨肌肉、膀胱等，比起商用导电胶组装的系统信号质量大幅度提升。
据介绍，采用BIND界面的柔性模块接口，其导电拉伸率可达180%，机械拉伸率可达600%，远高于采用商用导电胶连接的普通接口;对于硬质模块接口，其导电拉伸率达到200%，并能适用于聚酰亚胺(PI)、玻璃、金属等多种硬质材料;对于封装模块接口，BIND界面能提供0.24N/mm的黏附力，是传统柔性封装的60倍。
有望应用于下一代智能柔性医疗器件
此研究成果得到国内外同行的积极评价。清华大学教授张一慧评论道，该工作提高了柔性电子接口的机械和电子稳定性，极大推动了电子皮肤、可植入器件等柔性电子器件的实际应用。
“这项研究为智能柔性电子器件的模块化组装提供了可拉伸、稳定高效的通用接口，不仅简化了柔性医疗器件的使用，也加速了多模态、多功能的柔性医疗器件的研发。”刘志远说，通过该接口组装的智能柔性传感器件可用于多个医疗领域，如植入式人机接口、体表健康监测等。
“不过，它也存在一定局限性，比如电导率优化、长期植入的生物相容性等。”刘志远表示，团队接下来将从生物医学、分子动力学、有机合成等领域出发，继续研发下一代新型医疗器件的智能传感材料，打造智能化、柔性化、交互式的人机接口传感器件，应用于神经康复机器人及系统。
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