基于粒子吞噬打印的软电子器件研究

学术背景

随着可穿戴设备、健康监测、医疗设备和人机交互等领域的快速发展，软电子器件（soft electronics）因其能够与生物系统无缝集成而备受关注。传统的刚性电子器件与生物组织之间存在机械性能不匹配的问题，这限制了其在生物医学领域的应用。为了解决这一问题，研究人员提出了多种策略，例如通过微结构设计（如蛇形图案和剪纸结构）赋予刚性器件宏观可拉伸性。然而，这些方法通常以牺牲电子性能为代价来换取可拉伸性。

近年来，基于聚合物电子材料的本征可拉伸器件因其高组件密度和优异的机械延展性而成为研究热点。然而，现有的材料通常需要在电子性能和可拉伸性之间进行权衡。为了克服这一挑战，研究人员尝试将功能性粒子与软聚合物结合，以创建具有类组织特性的高性能电子器件。然而，现有的集成策略通常需要将粒子分散在液体单体或聚合物溶液中，并通过化学或物理转化形成软复合材料。这些方法虽然能够制造出先进的软电子器件，但其功能集成度和性能受到化学非正交性和复杂流体现象控制的限制。

为了解决这些问题，本文提出了一种基于粒子吞噬（particle engulfment）的新型打印技术，能够直接将功能性粒子嵌入软聚合物中，从而避免了传统方法中的材料兼容性和流体力学控制难题。

论文来源

本文由Rongzhou Lin、Chengmei Jiang、Sippanat Achavananthadith、Xin Yang、Hashina Parveen Anwar Ali、Jianfeng Ping、Yuxin Liu、Xianmin Zhang、Benjamin C. K. Tee、Yong Lin Kong和John S. Ho共同撰写。作者来自多个研究机构，包括South China University of Technology、National University of Singapore、Zhejiang University和Rice University。该论文于2024年10月16日在线发表在Nature Electronics期刊上。

研究流程与结果

1. 粒子吞噬打印技术

粒子吞噬打印技术是一种通过表面能驱动的自发过程，将功能性微米和纳米粒子直接嵌入软聚合物基质中的方法。该技术的核心在于，当粒子的特征尺寸远小于聚合物基质的弹性毛细长度（elastocapillary length）时，粒子会被聚合物基质自发吞噬，形成能量稳定的嵌入结构。

1.1 打印过程

粒子吞噬打印通过层状组装的方式实现。首先，将粒子通过掩模（如模板）直接图案化到聚合物表面。随后，粒子在表面能的作用下被聚合物基质吞噬。吞噬现象的发生取决于粒子半径与弹性毛细长度的比值（r/l）。当r/l远小于1时，表面应力主导，粒子被完全吞噬；当r/l远大于1时，弹性力主导，粒子仅粘附在表面。

1.2 实验验证

为了验证粒子吞噬打印的有效性，研究人员使用10微米半径的二氧化硅粒子作为模型粒子，分别在软（E≈1 kPa）和硬（E≈500 kPa）弹性基底上进行打印。结果显示，软基底上的粒子被完全吞噬，而硬基底上的粒子仅粘附在表面。

2. 功能性软电子器件的制造

通过粒子吞噬打印技术，研究人员成功制造了多层、多材料的弹性电子器件，这些器件具有无线传感、通信和能量传输功能。

2.1 导电性验证

研究人员通过吞噬银（Ag）微粒子制造了可拉伸导体。经过多次吞噬循环（每次约15分钟），导体的导电性显著提高，形成了更深的渗透网络。即使在机械和化学应力下，吞噬的导电轨迹仍能保持其电学性能。例如，当使用胶带剥离基底表面时，软基底（E≈20 kPa）上的导电轨迹电阻变化小于10%，而硬基底上的导电轨迹则完全失效。

2.2 多功能打印

粒子吞噬打印技术能够实现360°打印，适用于各种复杂形状的软物体。例如，研究人员在柔性管上打印了螺旋形导电轨迹，在不规则圆顶上打印了星形导电轨迹，并在手指关节上打印了应变传感器。此外，该技术还兼容软生物材料，能够在温度敏感的结构上集成器件。

3. 多层吞噬打印

研究人员展示了多层吞噬打印技术，成功制造了多材料无线电子器件。例如，他们打印了一个由Ag微粒子天线层、BaTiO3微粒子介电层和Ag微粒子接地层组成的三层器件。当暴露在32 MHz射频场中时，器件能够无线供电并激活LED。由于打印轨迹的高导电性和机械鲁棒性，即使拉伸到100%应变，器件仍能保持稳定的无线性能。

4. 粒子吞噬的表征

为了研究粒子尺寸和基底刚度对吞噬程度的影响，研究人员在不同杨氏模量的基底上打印了直径从0.3到20微米的二氧化硅球体。结果显示，随着杨氏模量或球体直径的减小，吞噬深度增加。当r/l远小于1时，粒子被完全吞噬；当r/l远大于1时，粒子仅粘附在表面。

5. 大尺寸、多层、多材料打印

研究人员展示了粒子吞噬打印技术在大尺寸、多层、多材料打印中的应用。例如，他们在一个A4大小的弹性体上打印了碳纳米管（CNT）应变传感器，并展示了其在任意方向上的拉伸和扭转能力。此外，他们还打印了由二氧化硅球体和铜纳米线（Cu NW）组成的三层结构，展示了该技术在制造复杂功能器件中的潜力。

结论与意义

本文提出了一种基于粒子吞噬打印的新型软电子器件制造技术。通过利用表面能驱动的粒子吞噬现象，研究人员能够直接将功能性粒子嵌入软聚合物中，制造出多层、多材料的弹性电子器件。这些器件在机械拉伸和化学应力下仍能保持稳定的性能，展示了其在可穿戴设备、健康监测和医疗设备等领域的广泛应用潜力。

研究亮点

1. 新型打印技术：粒子吞噬打印技术通过表面能驱动，能够直接将功能性粒子嵌入软聚合物中，避免了传统方法中的材料兼容性和流体力学控制难题。
2. 多功能集成：该技术能够制造多层、多材料的弹性电子器件，具有无线传感、通信和能量传输功能。
3. 广泛应用前景：该技术在可穿戴设备、健康监测和医疗设备等领域具有广泛的应用前景，能够实现与生物系统的无缝集成。

其他有价值的信息

本文的研究得到了多个基金项目的支持，包括South China University of Technology的启动资金、National Institutes of Health (NIH)的资助以及National Research Foundation的资助。此外，本文的补充材料中包含了详细的实验方法和数据，可供进一步研究参考。

通过本文的研究，软电子器件的制造技术迈出了重要的一步，为未来的生物电子器件集成提供了新的思路和方法。