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

發(fā)布日期：2024-12-27瀏覽次數：188

背景：

印刷技術的最新進展允許制造各種可穿戴傳感器、電路和集成電子產品。然而，大多數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，無法開發(fā)復雜的電子產品。本文介紹了一種通過多層、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)，以制造納米膜復合結構，包括皮膚接觸電極和無線電路。沉積在Cu上的印刷聚合物PEDOT:PSS可確保直接接觸皮膚時的生物相容性，同時增強電極的電導率。自組裝單層有助于Cu納米顆粒更好地粘附在PI上。此外，使用強脈沖光，光子燒結方法可最大限度地減少Cu氧化，同時避免熱損傷。綜合實驗和計算研究顯示了印刷集成設備的機械靈活性和可靠性。對于人類受試者，靈活的無線生物電子系統(tǒng)在檢測皮膚上的高保真生理信號方面表現出色，包括肌電圖、眼電圖、心電圖和運動，證明了其在便攜式人類醫(yī)療保健和持久人機界面方面的潛在應用。

文獻介紹：

各種印刷技術對柔性電子產品的發(fā)展產生了重大影響，特別是在生物傳感器領域。不同的印刷技術，例如噴墨印刷(IJP)、絲網印刷(SP)、3D打印(3DP)、彎月面引導印刷(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備，從而能夠監(jiān)測生理信號，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、可擴展性和減少材料浪費而脫穎而出，使其成為直接在各種基材上創(chuàng)建復雜多層結構的有吸引力的選擇。與其他印刷技術相比，AJP可以處理各種油墨粘度（從1到1000cP），而無需使用掩?；蚱聊?，為制造柔性和可穿戴設備提供了多功能性。然而，雖然許多研究已經使用不同的印刷技術來形成電極和電路，但很少找到將這兩種元素結合在一項研究中以使用綜合方法檢測多種生理信號的研究。

此外，大多數現有工作依賴于昂貴的材料，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，但它通常表現出有限的電氣和機械性能，導致某些應用的性能不理想。相比之下，銅是一種具有顯著更高電導率和機械強度的經濟高效的替代品，使其成為印刷電子產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、生物相容性問題以及易受汗液等物質腐蝕。為了應對這些挑戰(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，并結合AJP。這種組合可以制造具有更高精度和可擴展性的復雜多層電極和電路，這在之前的研究中尚未被探索過。此外，通過仔細控制Cu納米粒子的粒度分布（這些粒子隨時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的另一個主要問題是其易受熱損傷，這是由于其熱膨脹系數與柔性基板不匹配。這些問題限制了其在印刷電子產品中的廣泛使用。為了解決這些問題，人們探索了低溫燒結方法，例如強脈沖光(IPL)燒結，以最大限度地減少熱損傷。然而，盡管取得了這些進展，但仍需要額外的保護策略，例如應用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燒結和AJP方法，以開發(fā)完全印刷、一體化、集成的柔性電子產品。我們專注于集成多種材料來制造集成傳感器的無線系統(tǒng)，以測量人體皮膚上的各種生理信號。通過優(yōu)化，我們可以成功打印各種油墨，例如CuNPs、AgNPs、PEDOT:PSS和PI，以開發(fā)柔性膜電極和電路。為了解決Cu的固有局限性并實現更低的電阻率，我們探索了自組裝單層，以增強CuNPs的粘附性，并采用IPL光子燒結來最大限度地減少燒結過程中的熱損傷。此外，PEDOT:PSS沉積在CuNPs上以防止氧化并確保生物相容性，使其適合長期生理監(jiān)測。與其他打印技術相比，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線可穿戴電子產品。通過展示該設備在人類受試者身上的性能，展示了所制造的一體化無線系統(tǒng)在檢測各種生理信號（如EMG、ECG、EOG和運動）方面的多功能性；該單一設備平臺的信號質量與使用笨重電子設備和剛性傳感器的臨床級設備一樣好?？偟膩碚f，這項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開辟了機會，當針對便攜式人體健康監(jiān)測、持續(xù)疾病診斷和治療時，通過將傳感器與執(zhí)行器和康復工具相結合。