在不久的将来，可以附着在皮肤上甚至植入体内的电子设备将变得越来越普遍。这种“植入式生物电子”被设想具有广泛的用途，从医疗技术到新兴的增强现实领域，香港理工大学(理大)领导的一个研究小组已经开发出一种微电极，非常适合这种设备。
他们的开创性研究题为“用于具有慢性生物相容性的植入式生物电子学的晶圆图案，可渗透和可拉伸液态金属微电极”，最近发表在《科学进展》杂志上。
与传统电子产品相比，用于可穿戴或可植入生物电子技术的材料需要特定的特性，这些特性很难结合在一起。它们必须具有足够的可拉伸性、柔软性和渗透性，以便在人体中生存而不会对使用者造成不适或伤害。与此同时，就像日常的家用设备一样，生物电子学仍然依赖于高导电性的电极，并且可以制作成微型电路。
由软材料及器件讲座教授、应用生物及化学科技学系教授郑子健教授带领的跨学科研究团队，成员分别来自理大时装及纺织学院、生物医学工程系、应用生物及化学科技学系、智能可穿戴系统研究所(RI-IWEAR)及智能能源研究所(RISE)、以及香港城市大学和香港心血管健康工程中心的研究人员。
该团队克服了几个技术限制，推动了可穿戴技术领域的发展，并发明了一种为植入式生物电子学生产前所未有的柔软、可拉伸和可渗透电极的方法。
制造过程中的关键步骤是将纤维聚合物静电纺丝到银(Ag)微图案上，从而产生一系列液态金属微电极(μLMEs)，这些微电极可以以超高密度(每平方厘米高达75,500个电极，比以前实现的高出数千倍)进行图案制作，并且具有长期的生物相容性。μLMEs可以舒适地佩戴在人体皮肤上，同时也证明了在动物大脑监测中的特定应用。
以前，生物相容性电子器件是在多孔弹性体上制造的，但这些衬底的孔隙度和粗糙度限制了图案分辨率，从而限制了电极密度。通过光刻技术将电子电路沉积到纤维聚合物衬底上，该团队成功地克服了这一障碍，实现了具有组织样柔软性、高应变下高电导和长期生物相容性的μLMEs。
使用共晶镓铟(EGaIn)液态金属合金作为μLMEs的导电成分，因为它具有较低的熔融温度，并且在极端应变下保持其导电性，同时柔软且具有高度的生物相容性。制造过程包括将含有EGaIn的电路模式沉积在静电纺丝上，这是一种可渗透的聚合物“纤维垫”(聚苯乙烯-丁二烯-块苯乙烯)。这创造了柔软、可拉伸的电子产品，可以舒适地佩戴和植入。
超弹性纤维垫的概念是由郑教授的团队在2021年首次提出的，现在被应用于新开发的μLMEs中，以确保电极微图案从Ag模板上完全光刻转移，而不是使用不透水衬底时实现的部分转移。
μLMEs除了具有柔软性、透液性和透气性外，还具有很高的可拉伸性，在高应变下反复拉伸和释放后，其电阻仅略有增加。用μLMEs制备的电子贴片贴在人体皮肤上，在压力作用下只留下痕迹，甚至没有残留物。这对可穿戴电子产品来说是一个很有前景的特性，有望在生理监测、医疗诊断和交互技术方面有巨大的市场应用。
最值得注意的是，μLMEs的柔软性和可拉伸性也使它们成为植入大脑监测神经界面的理想选择。该团队合成了一组电极直径小、通道密度高的μLMEs阵列，作为大鼠脑皮层电成像信号接收器。μLMEs具有与脑组织相似的力学特性，能紧密附着于皮层表面，在体内能准确记录神经信号。当熟睡的大鼠发出典型的非快速眼动睡眠的可识别脑电波时，μLME阵列可靠地检测到对施加于其身体不同部位的电刺激的体感诱发电位。
作为RI-IWEAR的副主任和RISE的首席研究员，郑教授说:“由于光刻技术和柔软、可渗透的SBS纤维垫的结合，具有前所未有的分辨率和生物相容性的微电极得以实现。这些μLMEs可以推动医疗和增强现实领域的技术进步，克服以前制造生物电子学的技术限制。”
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