摘要
可穿戴和可植入生物电子技术在人机交互、医疗健康监测、脑机接口、慢性病管理以及药物释放系统等领域具有广泛应用前景。高性能生物电子器件的构建主要基于柔、软、薄、可拉伸以及生物相容性的导电纳米复合物。激光诱导碳化（LIG）技术具有可图案化、设计性强、图案可转印以及可调控的物化特性等优势，已被应用于构建多类生物电子器件。但是，在实现可拉伸、超薄生物电子集成系统方面，LIG 技术主要存在两大挑战：(1) 在转印 LIG 时，界面机械剥离力限制了弹性体厚度（通常 > 45μm）。(2) LIG 与柔弹性聚合物间的杨氏模量差异较大，限制可拉伸本征导电性。
本本文报道了一种新型激光碳化冷冻转水凝胶是一种低模量、高导电性的柔弹性材料，具有良好的生物相容性。在本研究中，作者以聚乙烯醇 (PVA)、植酸 (PA) 和天然蜂蜜为原料，制备了一种具有高粘附性、抗菌性、高生物兼容性的聚丙烯胺水凝胶 (PPH)。PPH 水凝胶作为 LIG 与弹性体界面的能量耗散层，可以有效地耗散应力并诱导贯穿裂纹趋于偏转裂纹，从而提升 LIG 本征导电拉伸率。
结果与讨论
界面机械剥离力与转印效率
作者系统探索了激光功率密度、PPH 层厚度、以及支撑层的杨氏模量对转印效率的影响。结果表明，在极低温度 (-196°C) 下，界面结合能显著增强，这有利于导电图案的完整转印和良好的界面机械稳定性。
能量耗散界面提升导电拉伸性能
作者通过实验和理论模拟表明，PPH 水凝胶基能量耗散界面可以有效地耗散应力并诱导贯穿裂纹趋于偏转裂纹，从而提升 LIG 本征导电拉伸率。结合结构设计，LIG 的导电可拉伸率可达 220%（且电阻呈线性变化）。
多功能生物电子器件
作者利用前述技术构建了多功能表皮电子和心脏贴片，用于体表多模态信号监测和大鼠心脏电信号的原位监测。这些器件表现出优异的柔性、可穿戴性和生物相容性，并能够实时监测心电图（ECG）、温度和湿度等生理信号，在疾病诊断和健康监测方面具有广泛的应用前景。
结论
本研究开发了一种新型的激光碳化冷冻转印工艺，实现了 LIG 在超薄、可拉伸生物电子界面上的高精度转印。通过采用水凝胶基能量耗散界面，有效地提升了 LIG 本征导电拉伸性能。该技术可用于构建多功能生物电子器件，在人机交互、医疗健康监测、脑机接口等领域具有广泛的应用前景。
致谢
本研究由国家自然科学基金、科技创新 2030 重大项目、国家重点研发计划、浙江省领军型创新创业团队、浙江省尖兵计划等多个项目资助。
参考文献
- [1] 徐凯臣, 顾臻, 杨华勇. 可拉伸石墨烯-水凝胶界面用于可穿戴和可植入生物电子[J]. 自然电子学, 2023, 6(2): 170-182.
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