近年來,隨著可穿戴電子、腦機接口和神經康復等前沿技術迅速發展,迫切需要將精密電子器件如同“皮膚”一般貼合到器官組織上,實現對生理信號的采集和調控。然而,傳統貼附方法往往導致器件內部產生巨大應力,尤其是當貼合在起伏不平的皮膚、大腦或神經表面時,器件內部脆弱的超薄金屬線路和芯片很容易因應力集中而損壞,這成為柔性電子發展的一大瓶頸。

近日,中國科學院化學研究所宋延林團隊在打印墨滴行為控制等方面取得了系列進展。該團隊聯合首都醫科大學附屬北京天壇醫院、新加坡南洋理工大學等單位,提出了一種新型的超薄膜材料轉移策略——液滴打印。

該方法利用液滴來拾取和轉移超薄膜。在轉移到目標基底后,液滴能夠在目標表面和超薄膜之間構建臨時潤滑層,使薄膜在貼附時發生局部滑移,從而動態釋放應力,避免器件因過度拉伸而破裂,實現精準、高保形的無損貼附。同時,通過調控液滴與目標表面的三相接觸線還可大幅提高薄膜的轉移精度。

該技術不僅可以將納米級厚度的金屬、硅等非延展性電子膜無損地轉移至光纖、植物、甚至活體細胞表面,還可以通過調節液滴成分,實現干細胞膜轉移和生物粘附等功能。在活體動物實驗中,研究人員將超薄硅基電子膜打印貼附至小鼠神經和腦部表面,構筑出無損且保形的生物電子界面,成功實現了高時空分辨率的紅外光對神經的調控。

該研究提出了一種全新的柔性電子構建方式,解決了薄膜貼附中的應力破壞難題,為柔性電子、腦機接口等交叉領域提供了關鍵技術支撐。

相關研究成果發表在《科學》(Science)上。

液滴打印實現薄膜的無應力保形貼附。(A)液滴打印的實施過程;(B)薄膜的動態應力釋放過程;(C)薄膜中的應力分布;(D-E)在草履蟲上打印的金薄膜;(F)打印在光纖上的石墨烯納米片;(G)打印在玻璃管上的硅膜;(H-J)通過液滴打印在大鼠模型中構筑的“腦機接口”。