第一作者：Yadong Xu, Zhilu Ye, Ganggang Zhao

通訊作者：閆政、高偉、Pai-Yen Chen

通訊單位：密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校、加州理工學(xué)院、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校

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在可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)植入物和軟體機器人中實現(xiàn)可伸展生物電子的全部潛力，需要具有本征柔軟性、高導(dǎo)電性和應(yīng)變彈性的導(dǎo)電彈性復(fù)合材料。然而，現(xiàn)有的復(fù)合材料通常由于應(yīng)變下導(dǎo)電路徑的中斷而犧牲了電氣耐久性和性能，并且嚴重依賴于高含量的導(dǎo)電填料。

在這里，研究團隊提出了一種原位相分離方法，促進了微尺度銀納米線組裝，并在孔隙表面創(chuàng)建了自組織的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。所得的納米復(fù)合材料具有高導(dǎo)電性、應(yīng)變不敏感性和耐疲勞性，同時最小化了填料的使用。它們的韌性源于多尺度多孔聚合物基質(zhì)，該基質(zhì)可以分散應(yīng)力，并且剛性的導(dǎo)電填料能夠適應(yīng)應(yīng)變引起的幾何變化。

值得注意的是，多孔微觀結(jié)構(gòu)的存在將導(dǎo)電（或滲透）閾值降低了48倍，并且即使在超過600%的應(yīng)變下也能抑制電性能退化。

理論計算得出的結(jié)果與實驗發(fā)現(xiàn)在數(shù)量上一致。通過將這些納米復(fù)合材料與近場通信技術(shù)配對，作者展示了適用于皮膚界面和植入式生物電子的可伸展無線功率和數(shù)據(jù)傳輸解決方案。這些系統(tǒng)實現(xiàn)了無需電池的無線供電和傳感，即使在50%的應(yīng)變下，性能變化也不超過10%。

圖文導(dǎo)讀

圖1：相分離過程的示意圖和制備方法，以及多孔和非多孔Ag NW納米復(fù)合材料在原始和拉伸狀態(tài)下的比較。還包括了聚合物、溶劑和非溶劑的等溫三元相圖，以及對納米復(fù)合材料在不同應(yīng)變下電阻變化的數(shù)值計算。

圖2：通過掃描電鏡圖像展示了不同Ag NW濃度下PSPN的微觀結(jié)構(gòu)，以及PSPN和非多孔復(fù)合材料的電導(dǎo)率與Ag NW體積分數(shù)的關(guān)系。還包括在拉伸前后PSPN的微觀結(jié)構(gòu)變化，以及不同應(yīng)變下相對電阻變化的比較。

圖3：可伸展無線功率傳輸系統(tǒng)（WPT）的兩端口網(wǎng)絡(luò)模型和磁場分布，以及在50%應(yīng)變下多孔和非多孔納米復(fù)合材料的磁場分布模擬。

圖4：展示了用于可穿戴和植入式生物電子的可伸展無線供電系統(tǒng)，包括理論評估、耦合系數(shù)、傳輸效率以及在活體動物中的植入式WPT系統(tǒng)演示。

圖5：用于多重生化傳感的全可伸展無線生物電子系統(tǒng)，包括無線生化傳感平臺的設(shè)計原理、無線監(jiān)測不同離子的反射系數(shù)和頻率變化，以及在身體活動過程中的實時監(jiān)測。

總結(jié)展望

本研究開發(fā)的基于相分離技術(shù)的多孔納米復(fù)合材料，通過在聚合物基質(zhì)中形成自組織的銀納米線導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了超低的導(dǎo)電閾值和優(yōu)異的應(yīng)變不敏感性。該材料在超過600%的應(yīng)變下仍能保持電性能穩(wěn)定，展示了其在可穿戴和植入式生物電子設(shè)備中的潛在應(yīng)用。

此外，通過與近場通信技術(shù)的結(jié)合，研究團隊展示了無線功率傳輸和數(shù)據(jù)傳感的可能性，為未來的個性化醫(yī)療保健和人機交互界面提供了新的思路。未來的研究可以探索新的制造技術(shù)，如增材制造，以實現(xiàn)該技術(shù)的規(guī)?；a(chǎn)，并進一步開發(fā)基于NFC的無線生物電子設(shè)備，以滿足更廣泛的醫(yī)療保健需求。

文獻信息

標題：Phase-separated porous nanocomposite with ultralow percolation threshold for wireless bioelectronics

期刊：Nature Nanotechnology

DOI：10.1038/s41565-024-01658-6