近年来，生物电子器件已成为我们了解和学习生物系统的有利工具。例如马斯克的脑机接口公司Neuralink通过可植入电子设备来探索及开发大脑；一系列柔性电子皮肤渐渐趋近真实皮肤的多功能性。生物组织通常具有超柔软（e.g., 杨氏模量）的特性，例如大脑的杨氏模量只有1-3 kPa，而大部分基于弹性体的电子器件具有较高的杨氏模量（1 MPa~200 GPa），这种力学性能的不匹配将造成组织的损伤，并最终降低电子器件的设计性能。为了更有效地记录生物信号，以及进一步减轻生物组织-电子界面免疫反应，提高电子器件与组织的力学相容性变得至关重要。
近日，多伦多大学机械系刘新宇团队和化学系Helen Tran团队合作提出了一种超柔软的导电弹性体（Fig. 1），使其具有低于11 kPa的杨氏模量以及高于2 S/m的导电率，并通过激光切割和3D打印技术制备了一系列超柔软电子器件。该超柔软导电材料是一种由单壁碳纳米管SWCNT和PDMS瓶刷弹性体（BBE）组成的无溶剂复合材料。研究人员验证了该材料的超柔软性，可拉伸性，高弹性，导电性以及环境稳定性，并提出了该材料的图案化工艺以进一步探索这种超柔软导电材料在生物电子器件中的独特应用。该研究最近以“Conductive and elastic bottlebrush elastomers for ultrasoft electronics”为题发表在《Nature Communications》上。目前的超柔软可拉伸材料主要基于水凝胶和瓶刷弹性体，其中水凝胶由于含有大量的水分，其可使用环境及电学稳定性成为主要应用局限，而瓶刷弹性体即使在干燥不含溶剂的情况下依然能保持超柔软特性。正如其名，瓶刷弹性体由具有长侧链的聚合物交联而成，这些长侧链使聚合物结构宛如“瓶刷”，从而有效地降低聚合物主链之间的缠结，由此使交联后的弹性体具有较低的杨氏模量。然而，目前的瓶刷弹性体在具备超柔软特性时并不具备导电性，这大幅降低了该材料在相容性生物电子器件上的应用。为此，研究团队通过在PDMS瓶刷弹性体中引入SWCNT赋予该弹性体导电性。作者首先研究了纯PDMS瓶刷弹性体的力学特性（Figs. 2a-b），通过调节聚合物交联程度，该材料显示出超柔软特性（杨氏模量0.63 kPa - 1.85 kPa）。同时，PDMS瓶刷弹性体在400%的应变及不同的应变率下均能保持较高的弹性（Figs. 2c-d），是已报道文章中最柔软的且具有较高弹性的无溶剂材料（Fig. 2e）。此外，研究者发现该瓶刷弹性体具有一定的粘附性（Figs. 2f-g），这将对可穿戴电子的应用具有重要价值。在纯PDMS瓶刷弹性体中加入单壁碳纳米管后，弹性体的导电性具有明显的提高。研究者在0.2 wt%，0.4 wt%，以及0.6 wt%的碳纳米管含量下分别获得了2.98 kPa，5.29 kPa，10.65 kPa的杨氏模量和2.63 S/m，7.08 S/m，13.78 S/m的导电率（Figs. 3a-c）。制备而成的SWCNT/BBE是迄今为止报道的最柔软的无溶剂导电材料，其杨氏模量可与大部分生物组织相容（Fig. 3d）。在掺杂入SWCNT后，该复合材料依然具有大于100%的拉伸率，同时具有较大的应变灵敏范围和环境稳定性（Figs. 3e-g）。相比水凝胶，由于SWCNT/BBE不含溶剂，其电学性能在空气暴露，或者盐酸、过氧化氢溶液浸泡下30天均未发生明显的退化。再加上其内在的粘附性（Fig. 3h），SWCNT/BBE将在超软电子器件上的应用上具有较大潜能。基于绝缘的PDMS BBE以及导电的SWCNT/BBE，研究者采用了激光切割和3D打印技术对SWCNT/BBE进行了图案化（Fig. 4a），并利用纯PDMS BBE对其进行封装，从而制备得到了超柔软的应变传感器（Fig. 4c），可穿戴电子设备（Fig. 4b），以及高灵敏电子皮肤触控板（Fig. 4i）。由于SWCNT/BBE的超柔软特性以及自粘附特性，基于导电BBE的电子器件可以容易地粘附在手指或者柔性的Ecoflex驱动器上，并在监测其运动状态的同时对驱动性能无明显影响（Figs. 4c-d）。相反，由具有较高杨氏模量的Ecoflex材料制备的器件显著影响了驱动器的弯曲行为。研究者进一步将该应变传感器放在更为柔软的天蛾幼虫背上以记录传感器电阻随幼虫运动的变化（Fig. 4e），通过对比未加传感器的幼虫蠕动行为及贴附传感器后的幼虫蠕动行为，研究者发现该传感器对幼虫无明显的力学约束及影响（Figs. 4f-g），这得益于该传感器的低杨氏模量。相反，粘附PDMS Sylgard 184 的幼虫运动行为收到了明显的影响。通过采用SWCNT/BBE作为天蛾幼虫的可穿戴电子，研究者可以实时记录材料电阻随着幼虫运动的变化（Fig. 4h），这种超柔软的电子器件将有希望用于生物力学和仿生学的研究上。图4 激光切割制备的SWCNT/BBE应变传感器及3D打印制备的e-skin通过3D打印技术，研究者将绝缘的PDMS BBE和导电的SWCNT/BBE整合到一起，制备了电子皮肤触控板（Fig. 4i）以及可用于生理信号检测的电极（Fig. 5a）。由于该材料的超柔软特性，SWCNT/BBE具有较高的灵敏度，可以感知置于其表面的0.11 g的花瓣（Fig. 4j），同时也可以作为人机交互的界面，例如高灵敏机器人皮肤（Fig. 4k）。此外，SWCNT/BBE的超柔软特性也使该材料与皮肤具有更好的顺应性，电子器件与皮肤的接触面积由于柔软性得到进一步提高，因此信号接收性能可与商用的水凝胶电极类似（Figs. 5b-c），其超柔软特性和导电性或许将在未来的可植入设备中得到更多的应用。图5 3D打印SWCNT/BBE电极用于心电信号记录研究者利用SWCNT掺杂PDMS BBE制备得到的超柔软导电弹性体为超柔软电子器件提供了一种新的材料平台，随着人类对生物体越来越深入的研究和探索，这种与生物体相容的超软材料将作为一项有利工具发挥其独特的作用。来源：高分子科学前沿
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