喷墨打印助力SF/PU复合薄膜的柔性电子皮肤

MEMS

1个月前

虽然目前已利用一些技术在SF薄膜上制备电子器件，但在SF基底上的微加工技的发展仍处于初级阶段,制备柔性电极还需要开发更成熟的工艺。

研究背景

近年来，采用天然生物蛋白材料的柔性电子器件受到广泛关注，尤其是用于健康监测的生物电子器件具有广阔的应用前景。然而，目前用于柔性生物电子器件的材料大多无法同时考虑材料的生物相容性和机械性能。传统的柔性生物电子器件通常使用传统的柔性聚合物薄膜作为基底，如PET、PDMS和PI，但这些聚合物不透气、不透水，长期贴在皮肤上可能会对皮肤造成损伤。

天然生物材料具有良好的生物隆解性和生物相容性，是合成材料的最佳替代品。尤其是蚕丝纤维素(SF)，由于其生物相容性、优异的机械顺应性和透气性，已成为下一代皮肤/植入式生物电子器件最有前途的候选材料之一。虽然目前已利用一些技术在 SF 薄膜上制备电子器件，但在 SF 基底上的微加工技的发展仍处于初级阶段,制备柔性电极还需要开发更成熟的工艺。喷墨打印是制备柔性电子器件图案化电极最有前途的技术之一，因为它无需掩膜、成本低、无毒。利用这项技术，人们已经制备出了各种类型的电子器件，如传感器、电路、太阳能电池、薄膜晶体管等。然而，喷墨打印技术通常需要高温后处理，以促进基底上金属材料的还原。

研究成果

天然材料在制备体内/体外电子设备方面具有不可替代的优势。然而，由于机械和化学稳定性问题，目前大多数柔性电子器件的制造技术与天然材料不兼容。重庆大学刘玉菲厦门大学郭文熹教授等人采用喷墨打印和电沉积耦合技术，在蚕丝纤维素和聚氨酯(SF-PU)复合薄膜上制备图案电极。聚氨酯的加入可以改善蚕丝纤维膜的化学特性，同时保持其相当高的渗透性和生物相容性。利用这种复合薄膜，通过喷墨打印技术成功打印出了不同图案的电极。随后，在印刷电极上电沉积一层镍(Ni)，以保护电极并进一步提高电极的导电性(<0.012 cm^-1)。在这些双层图案电极的基础上，开发出了用于压力分布监测的集成蛋白质电子皮肤(PPES)。这种喷墨和电沉积(IJ-ED)耦合技术特别有利于制造下一代体内/体外生物电子设备。相关研究以“Flexible Electronic Skin Based on Silk/Polyurethane Composite Film Fabricated by Ink-Jet Printing and Electrodeposition”为题发表在Advanced Materials Technologies期刊上。

图文导读

Figure 1. Scheme for fabricating flexible PPES on SF-PU membranes via ink-jet printing and electro-deposition (IJ-ED).

Figure 2. Characterization of SF-PU membranes.

Figure 3. The printing characteristics of Ag ink in SF-PU membranes.

Figure 4. Characteristics of ED Ni layer on ink-jet printing Ag layer.

Figure 5. Mechanical properties of Ag/Ni conducting film on SF-PU membranes.

Figure 6. The pressure sensing of the PPES.

Figure 7. Design of electronic skin for pressure sensing.

总结与展望

总之，作者报告了一种利用 IJ-ED 耦合技术在 SF-PU 膜上制造压力型柔性电子皮肤和大面积传感器阵列的方法。这种膜具有高透明度、优异的延伸性(超过 200%)、高耐热性(高达 150℃)和良好的亲水性。它可用作生物柔性基底，用于喷墨打印和ED。基于IJ-ED 耦合技术，制备了多像素传感器阵列，实现了压力分布，可用于准确显示中风患者的握力，并进行个人康复监测。此外，当 PPES 与人体皮肤长期接触时，不会出现炎症。

文献链接

https://doi.org/10.1002/admt.202201980

延伸阅读：《电子皮肤贴片技术及市场-2022版》