电子科技大学林媛等《AM》：基于激光直写技术的PI/PDMS复合材料，用于多功能皮肤界面设备

随着个人健康监测和疾病管理的需求日益增长，高灵敏生物传感电子皮肤系统展现出巨大的潜力。然而，为了提高生物标记物传感灵敏度而采用的三维多孔结构以及用于电学互连的柔性导电材料通常依赖于不同的材料体系与加工工艺，其异质集成界面力学性能失配，导致器件容易在机械变形下或疲劳测试中失效。此外，集成系统往往还需要额外的粘合剂才能紧密贴合人体皮肤，这也可能引起皮肤发炎、对齐和信号运动伪影等问题。

针对上述问题，电子科技大学林媛教授团队及其合作者开发了一种基于直接激光加工技术的粘性PI/PDMS复合材料，创新性地通过激光直写技术在PI/PDMS复合材料上制备了多孔激光诱导石墨烯（LIG），实现了一种可编程、可回收的多功能皮肤界面设备平台。该技术允许在单一材料系统中通过纳米材料修饰集成高灵敏度的生物传感与可延展电学互连单元、实时生理信号与生化指标监测和无线通信功能。同时，通过机械擦除和激光重写过程，该平台能够实现功能的更新和重复使用，显著提升了制造效率和材料的可持续利用性，为智能可穿戴医疗设备的设计与制备开辟了新路径。

LIG@PI/PDMS/PEIE的制备

本研究的设计策略是将聚酰亚胺（PI）粉末与聚二甲基硅氧烷（PDMS）前驱体和胺基化的聚乙二醇改性聚乙二烯亚胺（PEIE）添加剂混合，通过高温固化形成具有生物粘附性的复合材料。利用激光直写技术在该复合材料上制备出激光诱导石墨烯（LIG），这一过程通过光热反应将PI微粒碳化，同时PDMS转化为半导体硅碳化物或二氧化硅。PEIE添加剂通过与PDMS前驱液中的Pt催化剂形成络合物降低交联密度，从而增强PDMS粘附性。这种设计使得LIG@PI/PDMS/PEIE不仅具备了PI/PDMS复合材料的功能性，还能够直接与人体皮肤形成共形接触，为生物电子应用提供了新的可能性。

图1：基于PI/PDMS/PEIE复合材料的多功能、可回收和粘附性贴片。

电生理信号检测

在电生理信号监测方面，研究展示了利用LIG@PI/PDMS/PEIE复合材料制作的皮肤贴片，能够高保真度捕获心电图（ECG）和肌电图（EMG）信号。该贴片得益于其出色的皮肤粘附性和力学可延展性，无需额外粘合剂即可紧密贴合人体皮肤进行电生理的采集。实验结果表明，与传统凝胶电极相比，该贴片在ECG信号采集中表现出相似甚至更优的信噪比（SNR），并且在皮肤形变条件下仍能提供高保真度的电生理信号的采集，证明了其在监测电生理信号方面的有效性和可靠性。

图2：LIG@PI/PDMS/PEIE粘附贴片在捕获生物电位信号，如心电图（ECG）和肌电图（EMG）方面的应用。

多功能皮肤界面平台

基于LIG@PI/PDMS/PEIE的多功能皮肤界面平台展示了其在无线供电药物输送系统中的应用潜力。通过在LIG电极上固定头孢唑林抗生素，并结合聚吡咯（PPy）的电化学聚合，实现了电控释放药物。此外，通过银纳米颗粒（AgNP）修饰LIG形成高导电性的近场通信（NFC）线圈，与上述药物释放单元进行一体式集成能够实现无线控制的药物释放，为伤口抗菌与愈合提供了一种新的治疗方法。该平台的多功能性还体现在其能够进行实时汗液葡萄糖传感。由于LIG与PDMS亲水性的巨大差异，该皮肤贴片无需额外的微流道单元即可完成汗液的实时采集。通过与便携式电化学站的集成，实现了对运动过程中汗液葡萄糖浓度的连续监测，并揭示了汗液与血液葡萄糖浓度的强相关性，为无创式健康监测和疾病管理提供了新的工具。

图3：基于LIG@PI/PDMS/PEIE的多功能皮肤界面平台，包括无线控制的药物输送系统和实时汗液葡萄糖监测贴片。

小结

这项研究通过直接激光加工和功能化PI/PDMS复合材料，实现了对电生理信号的高保真监测和汗液生物标志物的电化学传感。该研究的主要优势在于其简单、低成本的制造工艺，基于同种材料的多功能集成以及平台的高度可编程性和可回收性。未来方向可能包括进一步提高设备的灵敏度和选择性，以及扩展其在临床应用中的使用场景。可能的弱点包括对设备在极端条件下的稳定性和耐久性进行更多的测试和验证。

全文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202400236

来源：高分子科学前沿

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