《Applied Materials & Interfaces》：用于一體化柔性可穿戴設(shè)備和生物電子器件的印刷納米材料（IF=9.589）

背景：

印刷技術(shù)的最新進展允許制造各種可穿戴傳感器、電路和集成電子產(chǎn)品。然而，大多數(shù)印刷工具處理油墨粘度的范圍有限，工作距離短，特征尺寸有限，無法開發(fā)復(fù)雜的電子產(chǎn)品。本文介紹了一種通過多層、多納米材料印刷的一體化集成可穿戴電子系統(tǒng)。多功能、高分辨率氣溶膠噴射印刷可以成功打印Cu納米顆粒、Ag納米顆粒、PEDOT:PSS和聚酰亞胺(PI)，以制造納米膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括皮膚接觸電極和無線電路。沉積在Cu上的印刷聚合物PEDOT:PSS可確保直接接觸皮膚時的生物相容性，同時增強電極的電導(dǎo)率。自組裝單層有助于Cu納米顆粒更好地粘附在PI上。此外，使用強脈沖光，光子燒結(jié)方法可最大限度地減少Cu氧化，同時避免熱損傷。綜合實驗和計算研究顯示了印刷集成設(shè)備的機械靈活性和可靠性。對于人類受試者，靈活的無線生物電子系統(tǒng)在檢測皮膚上的高保真生理信號方面表現(xiàn)出色，包括肌電圖、眼電圖、心電圖和運動，證明了其在便攜式人類醫(yī)療保健和持久人機界面方面的潛在應(yīng)用。

文獻介紹：

各種印刷技術(shù)對柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響，特別是在生物傳感器領(lǐng)域。不同的印刷技術(shù)，例如噴墨印刷(IJP)、絲網(wǎng)印刷(SP)、3D打印(3DP)、彎月面引導(dǎo)印刷(MGP)和氣溶膠噴射印刷(AJP)，已被用于制造用于生物傳感應(yīng)用的電極和電路。這些方法能夠創(chuàng)建輕便、靈活且貼合皮膚的設(shè)備，從而能夠監(jiān)測生理信號，包括肌電圖(EMG)、心電圖(ECG)、眼電圖(EOG)和腦電圖(EEG)。其中，AJP因其高分辨率圖案化、可擴展性和減少材料浪費而脫穎而出，使其成為直接在各種基材上創(chuàng)建復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)的有吸引力的選擇。與其他印刷技術(shù)相比，AJP可以處理各種油墨粘度（從1到1000cP），而無需使用掩?；蚱聊?，為制造柔性和可穿戴設(shè)備提供了多功能性。然而，雖然許多研究已經(jīng)使用不同的印刷技術(shù)來形成電極和電路，但很少找到將這兩種元素結(jié)合在一項研究中以使用綜合方法檢測多種生理信號的研究。

此外，大多數(shù)現(xiàn)有工作依賴于昂貴的材料，例如銀、石墨烯和液態(tài)金屬。雖然石墨烯因其生物相容性和可焊性而被廣泛利用，但它通常表現(xiàn)出有限的電氣和機械性能，導(dǎo)致某些應(yīng)用的性能不理想。相比之下，銅是一種具有顯著更高電導(dǎo)率和機械強度的經(jīng)濟高效的替代品，使其成為印刷電子產(chǎn)品的有希望的候選材料。8然而，銅也存在一些挑戰(zhàn)，特別是其易氧化、生物相容性問題以及易受汗液等物質(zhì)腐蝕。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，我們的工作采用了一種成熟的方法，即使用PVP和NaH₂PO₂-H₂O合成銅墨水，并結(jié)合AJP。這種組合可以制造具有更高精度和可擴展性的復(fù)雜多層電極和電路，這在之前的研究中尚未被探索過。此外，通過仔細控制Cu納米粒子的粒度分布（這些粒子隨時間保持良好分散和穩(wěn)定），我們確保了更好的可印刷性和一致的電氣性能。Cu的另一個主要問題是其易受熱損傷，這是由于其熱膨脹系數(shù)與柔性基板不匹配。這些問題限制了其在印刷電子產(chǎn)品中的廣泛使用。為了解決這些問題，人們探索了低溫燒結(jié)方法，例如強脈沖光(IPL)燒結(jié)，以最大限度地減少熱損傷。然而，盡管取得了這些進展，但仍需要額外的保護策略，例如應(yīng)用PEDOT:PSS作為覆蓋層，以防止氧化并提高Cu電極的生物相容性。本文研究了各種納米材料、SAM處理、IPL燒結(jié)和AJP方法，以開發(fā)完全印刷、一體化、集成的柔性電子產(chǎn)品。我們專注于集成多種材料來制造集成傳感器的無線系統(tǒng)，以測量人體皮膚上的各種生理信號。通過優(yōu)化，我們可以成功打印各種油墨，例如CuNPs、AgNPs、PEDOT:PSS和PI，以開發(fā)柔性膜電極和電路。為了解決Cu的固有局限性并實現(xiàn)更低的電阻率，我們探索了自組裝單層，以增強CuNPs的粘附性，并采用IPL光子燒結(jié)來最大限度地減少燒結(jié)過程中的熱損傷。此外，PEDOT:PSS沉積在CuNPs上以防止氧化并確保生物相容性，使其適合長期生理監(jiān)測。與其他打印技術(shù)相比，本研究提出的綜合方法可以制造更具成本效益但性能更高的無線可穿戴電子產(chǎn)品。通過展示該設(shè)備在人類受試者身上的性能，展示了所制造的一體化無線系統(tǒng)在檢測各種生理信號（如EMG、ECG、EOG和運動）方面的多功能性；該單一設(shè)備平臺的信號質(zhì)量與使用笨重電子設(shè)備和剛性傳感器的臨床級設(shè)備一樣好?？偟膩碚f，這項使用打印方法和各種納米材料的研究為使用集成可穿戴平臺開辟了機會，當針對便攜式人體健康監(jiān)測、持續(xù)疾病診斷和治療時，通過將傳感器與執(zhí)行器和康復(fù)工具相結(jié)合。

引用：https://doi.org/10.1021/acsami.4c17939

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