為保證人的舒適性，運用于人體的傳感器往往需要實現(xiàn)100%的彈性拉伸和以及超薄透氣。尤其是可植入的電子設備，往往只由有幾微米厚，并足夠柔軟的彈性導體構成，這樣才能于人體復雜三維結構形成無縫接觸。這種柔性導體通常由可拉伸聚合物（如聚二甲基硅氧烷、SBS橡膠、聚氨酯或氟橡膠）和導電填料（如納米線、納米顆粒、碳納米管或石墨烯）混合制成。由于這一類材料的導電性取決于聚合物內導電填料之間的相互接觸，所以這類材料往往在拉伸的條件下難以保持比較良好導電性。

如果需要實現(xiàn)保證柔性導電彈性體在拉伸的情況下實現(xiàn)良好的導電性，則需要一些在材料微觀結構上的設計。比如通過使用具有高長寬比的金屬納米纖維作為導電填料，并將其定向排列在在較薄的聚合物層上，就可以同時實現(xiàn)高導電性和可拉伸性。另外，運用液體金屬作為導電填料分散于聚合物基底種,由于液體金屬基導體固有的流體特性，在導電彈性體在發(fā)生較大形變是，液體金屬之間的鏈接仍然可以保持。但是這類方式所使用的金屬填料往往制備過程過于復雜。

利用熱蒸發(fā)的方式在彈性聚合物基底的表面鍍上金屬薄膜是一種十分便利的制備導電彈性體方式。近年來，已經(jīng)有工作報道在聚氨酯-PDMS納米膜上通過這種方式鍍金屬膜，既可以實現(xiàn)良好的貼合性能和透氣性能，又可以保證傳感器所需要的導電性能。但是由于在拉伸情況下，便面沉積的金屬層會產生裂紋，導致接觸不良，因此這類材料在有穩(wěn)定的電導率的條件下，最大拉伸能力約為30%。性能沒有達到植入人體傳感器或體表傳感器所需要的100%或以上的可拉伸性。

近期，東京大學Takao Someya?團隊聯(lián)合南洋理工大學陳曉東教授團隊提出一種制備可實現(xiàn)300%拉伸的超薄導電彈性薄膜的簡單方法。這種薄膜主要由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和金構成，其厚度約為1.3μm，附著于聚合物基底表面的金層具有受控制的微裂紋形態(tài)。這種形態(tài)可以保證在拉伸的情況下仍具有優(yōu)良的導電性。由于其優(yōu)良的性能，這種材料可以被應用于可透氣和防水的皮膚電極，并可以連續(xù)記錄心電圖信號；還可用于表皮應力傳感器和植入式神經(jīng)電極。該工作以題為“A 1.3-micrometre-thick elastic conductor for seamless on-skin and implantable sensors”的文章發(fā)表于Nature Electronics上。

為了獲得微米厚的PDMS-Au電極的Au層的微裂紋形態(tài)，因此在熱蒸發(fā)鍍金過程中，玻璃基板和微米厚的PDMS之間加了一層100μm厚的PDMS層。在熱蒸發(fā)鍍金的過程中，厚PDMS薄膜的熱膨脹導致蒸發(fā)的金在超薄PDMS上形成微裂紋結構。這種微裂紋架構呈現(xiàn)三分支形狀均勻分布在Au層中，這對在拉伸狀態(tài)下保持導電性至關重要。相比之下，在沒有厚PDMS膜的微米厚的PDMS薄膜玻璃上直接形成Au層，幾乎沒有可見的微裂紋，只有微小的褶皺。因此在沒有制備過程中沒有加厚PDMS層的情況下，超薄PDMS-Au在17%的拉伸應變內失去了電導率，因為在垂直于拉伸方向的拉伸過程中形成了長長的平行裂紋，這些Au碎片之間沒有任何連接。相應的COMSOL模擬優(yōu)化了厚度對微裂紋形成的條件，證明了由于熱應力較大，高溫會導致裂紋的形成，但如果溫度過高，可能會降低PDMS膜本身的力學性能。

表皮傳感器和植入式神經(jīng)傳感器應用

為保證表皮傳感器的貼合，在PDMS-Au薄膜與皮膚接觸的地方加一層22nm厚的離子導電聚合物層（pDAM）。電極和粘接聚合物的結合，使得電極在皮膚變形和水沖洗情況下保持附著在皮膚上。此外，薄薄的pDAM層不影響電極的氣體滲透性，適合長期使用情況下不造成皮膚問題。超薄的PDMS-Au-pDAM電極能夠在志愿者進行跑步、游泳等劇烈運動后和洗手過程中，連續(xù)8 h記錄心電圖信號。其信噪比值穩(wěn)定在37.5 dB，保證了日常生活中生物信號的持續(xù)監(jiān)測不受干擾。

為了展示超薄PDMS-Au電極在植入式電子設備中的應用潛力，通過涂覆聚（3,4-乙基二氧噻吩）（PEDOT）/碳納米管涂層，將該材料制成了型微米厚的神經(jīng)電極，作為神經(jīng)調制/信號記錄的高質量接口。超薄PDMS-Au電極具有超低的阻抗，在真空室保存6個月（0.1 Pa），室溫鹽水浸泡973小時后保持穩(wěn)定。由于的超薄PDMS-Au電極形變能力，超薄電極和神經(jīng)組織之間形成了無縫界面，不使用粘合劑或縫線，因此對神經(jīng)的損傷更少。相比之下，在厚電極與神經(jīng)組織之間的界面上有明顯的間隙。超薄電極與組織之間的無縫界面參與了有效的刺激傳遞和信號記錄，特別是對于超?。▇微伏）和噪聲大的神經(jīng)信號。為了刺激肌肉，超薄電極的平均閾值刺激電流（0.32 mA）明顯低于厚電極（0.56 mA）。

小結：該工作報道了一種1.3μm厚的可拉伸PDMS-Au彈性導電薄膜的制備方式，這種材料的最大拉伸能力可達300.0%，并且具備良好的機械耐久性（在100.0%應變下，5000次循環(huán)，0%應變時電阻增加1.7%）。這種超薄導體來創(chuàng)造可透氣、防水的皮膚電極，可以用于在日常生活中以及在跑步和游泳等劇烈運動中連續(xù)記錄心電信號。這種導電薄膜還可以制備高敏感的超薄神經(jīng)電極，可以更有效地向坐骨神經(jīng)提供電刺激（性能比厚電極高2-4倍），這種超薄導電薄膜的制備方法在可穿戴傳感器上有比較良好的應用前景。

文章來源：https://mp.weixin.qq.com/s/I9Uq4-XS46FbqbxBH3vxlA