在极低温度下转移激光诱导石墨烯用于超薄生物电子学

最近发表在《自然电子》杂志上的一项研究讨论了用于可穿戴和植入式生物电子学的可拉伸石墨烯-水凝胶界面。具有机械柔软、薄和生物相容性特征的可拉伸导电纳米复合材料在开发可穿戴类皮肤设备、智能软机器人和可植入生物电子学方面发挥着至关重要的作用。

尽管已经报道了几种涉及表面工程的设计策略来克服脆性电极和可拉伸聚合物之间的机械失配，但使用当前的超薄可拉伸导电纳米复合材料实现具有不同功能的各种组件的单片集成仍然具有挑战性。这是由于缺乏与简单的图案化策略兼容的合适的导电纳米材料系统。

激光诱导石墨烯(LIG)通常源自聚酰亚胺(PI)的激光照射，具有各种独特的优点，例如简便的数字图案化工艺、与图案转移方法的兼容性以及可调节的物理和化学特性，以生产各种可穿戴传感器。

然而，由于将LIG转移到软弹性体时存在机械限制，这些多功能器件构建在柔性PI基板或相对较厚的弹性薄膜上。此外，脆性LIG和弹性聚合物之间的机械失配阻碍了导电纳米复合材料的拉伸性。

该文章的作者描述了一种基于LIG水凝胶的超薄弹性纳米复合材料，用于多功能皮肤和可植入生物电子学。提出了一种新策略来创建基于LIG的超薄图案纳米复合材料，该复合材料是通过低温(77K)将LIG转移到水凝胶薄膜(最小厚度为1.0μm)而形成。然后解决了脆性LIG和弹性聚合物之间的机械失配问题，该聚合物采用水凝胶作为能量耗散界面和面外电气路径。

LIG中可以诱发连续偏转的裂纹，从而使固有拉伸性增强五倍以上。总体而言，这项研究提供了一种可行的策略，为集成传感器系统构建基于超薄碳水凝胶的可拉伸纳米复合材料，从而在可穿戴/可植入生物电子学和人机交互中实现多种应用。

通讯作者徐凯辰指出：“传统的LIG转移方法需要更大厚度(>45μm)的弹性体或胶带，以在剥离过程中提供强大的界面力，阻碍了保形生物电子学的应用。机械限制使用超薄且具有粘性的聚乙烯醇/植酸/蜂蜜(PPH)水凝胶在–196℃下进行低温转移方法克服了将LIG转移到弹性体上的难题。”

分子动力学(MD)计算表明，在快速冷却过程中，有缺陷的多孔石墨烯与水凝胶内的结晶水之间的界面结合能增强。77K时表面结合力的这种急剧增加也在180°剥离测试中得到体现。在77K时观察到最大瞬时剥离力为160Nm-1，远高于环境温度下PPH自体粘附产生的剥离力(<10Nm-1)。

此外，所提出的低温转移策略允许将LIG转移到其他类型的粘性或非粘性水凝胶上，表明这种转移技术的普遍性。然而，只有粘合性水凝胶形成机械稳定的结合界面，特别是在拉伸应变下。

通过简便的激光直写和低温转移技术，多模态传感器组件被集成为多功能可穿戴传感器片，用于皮肤体外监测。此外，基于LIG的微图案纳米复合材料的超薄和生物相容性特性允许与SpragueDawley(SD)大鼠的心脏无缝接触，以原位跟踪心脏信号。