中新網(wǎng)北京9月12日電 (記者 孫自法)在可穿戴電子、腦機接口、神經(jīng)修復等前沿技術(shù)中，將電子器件像皮膚一樣保形貼合在生物組織表面是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，廣受學界、業(yè)界和社會關(guān)注。
中國科學院化學研究所(化學所)9月12日發(fā)布消息說，中國科學家團隊別出心裁，借助一滴水找到了關(guān)鍵挑戰(zhàn)的解決方案。他們最近創(chuàng)新性研發(fā)出一項用于超薄柔性器件轉(zhuǎn)印的新技術(shù)——“液滴打印”(Drop-printing)，可以將精細的電子器件“溫柔地”轉(zhuǎn)移到各種復雜表面，在不損傷器件的前提下實現(xiàn)精準貼合。
“液滴打印”實現(xiàn)薄膜的無應力保形貼附相關(guān)示意圖。中國科學院化學所 供圖
這項破解三維表面超薄器件貼合難題、利用液滴實現(xiàn)生物界面柔性器件制備的方法，由中國科學院化學所宋延林研究團隊領銜攜手中外合作者共同研發(fā)，相關(guān)成果論文北京時間當天凌晨在國際知名學術(shù)期刊《科學》(Science)上線發(fā)表。
核心在于用液滴作媒介
論文共同通訊作者宋延林研究員介紹說，常見的柔性電子器件通常由金屬導電材料、半導體材料與高分子基底復合而成，這些電子器件非常柔軟，其厚度僅為幾至幾十微米。
然而，越薄的薄膜，其機械強度越低，在貼合時更容易破損，因此，如何實現(xiàn)電子薄膜的無損保形貼合已成為柔性電子中的瓶頸。
研究團隊基于多年來在打印印刷領域的積累，創(chuàng)新提出“液滴打印”技術(shù)方案，其核心在于用液滴作為媒介，通過在電子薄膜與目標表面之間構(gòu)建一個液體潤滑界面實現(xiàn)應力的動態(tài)釋放。
他們發(fā)現(xiàn)，當使用液滴來拾取和轉(zhuǎn)印薄膜時，液體會存在于膜與目標表面之間，不僅可以產(chǎn)生毛細力，逐漸將薄膜拉貼在凹凸不平的結(jié)構(gòu)上，而且液體層形成類似潤滑油的效果，使薄膜在變形時可以在潤滑液體上自由滑動；應力集中一旦在薄膜中產(chǎn)生，就會通過局部滑動而有效釋放。同時，液滴中的微量高分子材料還可以調(diào)控三相接觸線的運動，實現(xiàn)薄膜的高精度轉(zhuǎn)印。
“一滴水”完成超薄膜轉(zhuǎn)印
研究團隊通過高速攝像和應力分布仿真等多手段驗證，驗證結(jié)果表明，“液滴打印”將原本變形時累積在膜內(nèi)的應力集中及時消除，“一滴水”完成超薄膜轉(zhuǎn)印，真正實現(xiàn)了“貼得好、印得準、膜不破”。此次實驗結(jié)果顯示：即使是厚度僅150納米(頭發(fā)絲直徑的幾百分之一)的金膜，也可以通過“液滴打印”完好無損地貼合在凹凸不平的貝殼表面和微米尺寸的草履蟲、蒲公英纖維上。此外，水滴的成分還可以根據(jù)需求調(diào)整，如添加細胞培養(yǎng)液以“打印”細胞薄膜，或引入生物膠水實現(xiàn)水下粘附。
更重要的是，活體動物實驗也展現(xiàn)出色效果：研究人員將超薄硅基電子膜通過液滴打印技術(shù)打印在小鼠的坐骨神經(jīng)和大腦皮層上，電子膜與動物組織形成無損的保形貼合。隨后通過光照，成功觸發(fā)小鼠腿部規(guī)律運動，并同步采集到清晰的神經(jīng)電信號，從而說明膜與活體“貼得好、轉(zhuǎn)印得準、膜不破、對神經(jīng)組織也無損”。
該實驗過程中，小鼠隨著光照表現(xiàn)出規(guī)律的腿部運動，其肌電圖和腦電圖信號同步顯示激活響應，完整驗證從光刺激到神經(jīng)響應再到動作輸出的控制路徑。而這一切，僅靠“一滴水”完成轉(zhuǎn)印——既無損組織，又穩(wěn)定高效。
打破壁壘應用前景廣闊
“液滴打印”打破了傳統(tǒng)器件貼合方式的壁壘，無需外界壓力、無需特殊表面處理、無需黏合劑，適合于活體操作和復雜曲面的特點，使得這一技術(shù)不僅適用于皮膚電子、腦機接口、神經(jīng)調(diào)控器件，而且可拓展到可穿戴設備、智能顯示、生物制造和組織工程等多個交叉領域。
宋延林表示，“隨著科技的進步，推動文明發(fā)展的印刷術(shù)將不斷煥發(fā)新的生機”。
通俗地講，“液滴打印”技術(shù)實現(xiàn)將超薄且柔軟的電子器件膜，通過“一滴水”與各種復雜曲面精準、無損地貼附在一起。這個過程可以類比于手機貼膜，但是這里用的膜是一種很軟且易碎的電子器件膜，底下不是手機而是擁有復雜紋理的生物組織(例如大腦凹凸不平的溝回，圓柱形的神經(jīng)束)。
因為生物組織表面結(jié)構(gòu)復雜，而超薄電子器件膜又非常脆弱，一般的貼膜方法非常容易在薄膜中引起破壞應力，使薄膜中的器件損壞。在此背景下，中國科學家提出過程類似打印的用“水滴”來轉(zhuǎn)移薄膜，先用“水滴”拾取薄膜，再在生物表面上釋放薄膜，通過存在于薄膜和生物組織之間的“水滴”，將薄膜“浮”在液面上，“水滴”像潤滑油一樣，邊干燥邊滑動釋放應力，由此實現(xiàn)無損精準貼合。(完)
【編輯:劉陽禾】
