AM清华大学面向透气性皮肤集成电子产品的超薄水凝胶薄膜

　　在个性化诊断、治疗和人机界面方面提供革命性功能的皮肤电子设备需要皮肤和电子设备之间的无缝集成。一个常见的问题仍然是，是否可以引入理想的接口来直接将薄膜电子设备与柔软的皮肤连接起来，从而允许皮肤自由呼吸，并使皮肤集成电子设备稳定工作。近日， 清华大学Xiaomin Xu报道了 一种 前所未有的最薄水凝胶，通过简单的冷层压方法生产，它符合皮肤上的字形线条和细微细节，而不会形成空气间隙。水凝胶具有很高的水蒸气渗透性， 允许几乎不受阻碍的经表皮水分流失和皮下皮肤的自由呼吸。演示了水凝胶接口柔性（光电）电子器件，不会引起皮肤刺激或加速设备性能恶化。记录一周以上的长期适用性。超薄水凝胶界面结合了极强的机械顺应性、高渗透性和生物相容性，促进了皮肤集成电子产品的普遍应用。
　　文章要点
　　1） 研究人员提出了一种简单的制造方法，可生产厚度低至7 μm、可伸缩性大于100 cm2的水凝胶薄膜。所得超薄水凝胶膜显示出组合的特征，包括高水蒸气渗透性、极高的机械顺应性、高透光率和生物相容性。
　　2） 这种水凝胶界面具有几微米到几十微米的厚度，确保了与皮肤花纹、折痕和凹痕的一致性，允许变形以补偿应力并避免皮肤自然运动过程中的破裂。高水蒸气透过率(WVTR)和良好的皮肤-水凝胶水交换保证了在与电子设备耦合时不受干扰的经表皮水分损失和皮肤的自由呼吸。
　　3） 研究人员证明了通过超薄水凝胶界面将多种类型的有机薄膜器件，即有机场效应晶体管(OFETs)、有机电化学晶体管(OECTs)和有机光伏(OPV)与皮肤集成的可行性。
　　这项工作提供了一种简易的解决方案，以无缝的方式将薄膜电子设备与软皮连接起来，并将促进皮集成电子设备的普遍适用性。
　　总结：团队提供了一项关于应用超薄水凝胶夹层来耦合柔性电子设备和柔软皮肤的原理的全面研究。超薄水凝胶膜易于用冷层压方法处理，并且可以实现具有受控均匀性的大面积生产。厚度为10µm或以下，最薄的水凝胶轻轻覆盖皮肤表面的字形线条和细微细节，而不会形成任何气隙。在不同的皮肤部位，包括近指间、掌指关节和手掌，超薄水凝胶膜完全符合皮肤纹理。这种对皮肤字形图案、折痕和凹陷的极度顺应性允许水凝胶和耦合的电子元件随着角质层的自然运动而拉伸和变形。
　　通过将水凝胶应用于皮肤表面，水凝胶基质中的游离水可以穿透角质层并滋润皮肤；同时，高WVTR，即1890.0±134.4 g m−2天−1，是薄PDMS的三倍，多孔水凝胶的保水性允许TEWL和通过皮肤自由出汗。亲密接触1.5分钟后，皮肤-水凝胶水交换动力学达到平衡，水凝胶在皮肤上保持凝胶状态超过一周。这将解决与皮肤和不可渗透聚对二甲苯界面处不期望的水积聚相关的常见问题，并确保设备和皮肤之间的微气候平衡，从而实现可穿戴设备顶部皮肤的自由＂呼吸＂。水凝胶/电子集成贴片可以多次附着和分离，而不会损坏设备或刺激皮肤，进一步表明其应用潜力是可行的。
　　最后，该原型演示表明，通过超薄水凝胶膜将多类型有机薄膜器件与皮肤耦合的可行性很高。我们使用超柔性有机场效应晶体管、电化学晶体管和光伏来说明可变的应用场景。特别是，超薄水凝胶不仅提供了粘性和透气性界面，而且还为皮肤集成光电的热管理提供了有效策略。正如光伏技术所公认的，最多20%的太阳能被转换为电输出，而大量的太阳能被转化为废热，将太阳能板的温度提高到40°C以上。加热效应是有害的，因为它可能加速光伏的热降解并扰乱皮肤TEWL。在背板上涂抹水凝胶后，达到了明显的冷却效果，峰值温度约为36.1°C，接近自然体温。因此，一种新的皮肤集成OPV范式，以及具有前所未有舒适性的自供电可穿戴系统即将到来。
　　皮肤集成电子技术是一个极具活力的研究方向，有望在多个方面发挥应用潜力，从个性化医疗保健、人机界面到绿色能源。特别地，电子感测组件与人体皮肤之间的紧密接触将有效地减少皮肤接触阻抗，最小化运动伪影，提高测量精度，并简化后续数据拥有算法。通过展示超薄水凝胶的高通量生产方法，系统评估皮肤-水凝胶界面的水排泄和交换动力学，以及两侧的耦合，即水凝胶-皮肤和水凝胶-电子界面，我们的工作将促进皮肤集成电子的普遍适用性。
　　参考文献：
　　DOI: 10.1002/adma.202206793