研究團隊所開發(fā)的“魔術(shù)貼”式柔性組裝方法與在肌電監(jiān)測中的應(yīng)用實例。深圳先進院供圖
深圳商報首席記者 陳小慧
通訊員 刁雯蕙 王之康
近日，一批華人科學(xué)家開發(fā)了一種基于雙連續(xù)納米分散網(wǎng)絡(luò)的BIND界面（biphasic,nano-dispersedinterfac-BIND），這種新型界面能夠作為柔性電子器件通常所包含的柔性模塊、剛性模塊以及封裝模塊的通用接口，只需要按壓10秒鐘，就可以實現(xiàn)“樂高式”的高效穩(wěn)定組裝。
該成果2月15日發(fā)表于國際頂級期刊Nature，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院（簡稱“深圳先進院”）研究員劉志遠與新加坡南洋理工大學(xué)教授陳曉東、美國斯坦福大學(xué)教授鮑哲南為共同通訊作者，南洋理工大學(xué)博士姜穎為第一作者。
偶然發(fā)現(xiàn)“魔術(shù)貼”
據(jù)了解，柔性電子器件大致可以分為植入式和體表式兩種，主要功能是采集應(yīng)力信號、溫度信號、生理電信號、超聲信號、生物化學(xué)信號等生理數(shù)據(jù)，以監(jiān)測人體健康狀態(tài)。
“這些柔性電子器件一般都由不同模塊組裝而成?！眲⒅具h介紹道，其基本模塊可以分為三類，即直接貼合人體的柔性傳感模塊、負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和運算的硅基微電子剛性模塊，以及保護器件免受機械磨損和外部侵蝕的封裝模塊?！坝捎谶@三種模塊的形狀參數(shù)、材料性質(zhì)、加工條件不同，往往要先分開制備，再通過商用導(dǎo)電膠組裝在一起，構(gòu)成不同功能的柔性電子器件?！?/p>
不過，商用導(dǎo)電膠卻容易破壞柔性電子器件的整體穩(wěn)定性。
姜穎解釋道，無論單個模塊的拉伸性多好，只要模塊接口處的拉伸性很弱，整個器件的拉伸性就會受到制約?；诖?，他們一直在進行相關(guān)研究，試圖解決這個普遍存在的柔性接口問題。
轉(zhuǎn)機發(fā)生在2017年。當(dāng)時，劉志遠正在陳曉東課題組攻讀博士，其間到鮑哲南課題組作訪問交流。在那里，他偶然發(fā)現(xiàn)，在特定的制備條件下，基于SEBS嵌段聚合物和黃金納米顆粒的柔性界面，即BIND界面，面對面貼合時有“魔術(shù)貼”式的電氣與機械雙重黏合特性，而這是之前從未報道過的新現(xiàn)象。
回到新加坡后，劉志遠就與同在陳曉東課題組攻讀博士的姜穎一起對這種新型柔性界面展開了深入研究。
擁有超百倍的優(yōu)異性
很快他們發(fā)現(xiàn)，這種柔性界面能夠作為柔性模塊之間的接口，就像天然的“魔術(shù)貼”一樣，能夠?qū)⒉煌δ艿娜嵝詡鞲衅鞣€(wěn)定地黏合在一起，從而實現(xiàn)柔性模塊與柔性模塊之間的高效連接。
但除了柔性傳感模塊之外，柔性電子器件還需要組裝剛性模塊、封裝模塊等。想要將這些不同的模塊完整地組裝在一起并發(fā)揮柔性電子器件的功能并非易事，特別是柔性模塊與剛性模塊之間的連接，它們的接口機械性能匹配度最低，受到的應(yīng)力集中和破壞程度也最高。
于是，他們采用OTS修飾等方法將BIND界面制備在硬質(zhì)模塊上，讓硬質(zhì)模塊能夠高效連接另一個有BIND界面的柔性模塊。
“這種方法的普適性很強，就像‘拼樂高’一樣，任何帶有BIND接口的模塊，只要面對面按壓在一起，就可以把柔性電子器件更靈活、高效地組裝在一起?！苯f說，“可以匹配工業(yè)成熟的工藝，比如柔性聚酰亞胺PCB?！?/p>
為驗證這一新型接口在智能柔性醫(yī)療器件中的實際應(yīng)用，聯(lián)合團隊制備了使用該接口組裝的植入式神經(jīng)調(diào)控傳感系統(tǒng)，使用國家基金委重大科學(xué)儀器項目完成的體表多通道電生理信號傳感系統(tǒng)采集電生理信號。
實驗表明，采用新型接口的柔性醫(yī)療器件能高精度、高保真、抗干擾地監(jiān)測體內(nèi)外不同器官，包括表皮、腦皮層、坐骨神經(jīng)、腓骨肌肉、膀胱等，比起商用導(dǎo)電膠組裝的系統(tǒng)信號質(zhì)量大幅度提升。
有望應(yīng)用于下一代智能柔性醫(yī)療器件
“毫無疑問，該團隊研發(fā)的柔性電子器件BIND接口，表征和應(yīng)用都非常出色，其設(shè)計邏輯和實驗驗證令人印象深刻。”一位審稿人對這項成果給出了高度評價。
“我們這項研究為智能柔性電子器件的模塊化組裝提供了可拉伸、穩(wěn)定高效的通用接口，不僅簡化了柔性醫(yī)療器件的使用，也加速了多模態(tài)、多功能的柔性醫(yī)療器件的研發(fā)?！眲⒅具h說，通過該接口組裝的智能柔性傳感器件可用于多個醫(yī)療領(lǐng)域，如植入式人機接口、體表健康監(jiān)測、智能柔性傳感、軟體機器人等。“不過，它也存在一定局限性，比如電導(dǎo)率優(yōu)化、長期植入的生物相容性等?！?/p>
基于此，研究團隊接下來將從生物醫(yī)學(xué)、分子動力學(xué)、有機合成等領(lǐng)域出發(fā)，繼續(xù)研發(fā)下一代新型醫(yī)療器件的智能傳感材料，打造智能化、柔性化、交互式的人機接口傳感器件，應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)機器人及系統(tǒng)。
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