用于可穿戴和可植入生物電子學的可拉伸石墨烯-水凝膠界面

可穿戴和可植入生物電子技術能夠監測物理、化學以及電生理信號，在人機交互、醫療健康監測、腦機接口、慢性病管理以及藥物釋放系統等領域具有廣泛應用前景。

高性能生物電子器件的構建主要基于柔、軟、薄、可拉伸以及生物相容性的導電納米復合物，并且需與大面積集成制造方法兼容。

多模式激光制造技術集成激光增、等、減材加工形式，憑借高精度、非接觸、機理豐富、靈活可控、高效環保、多材料兼容等特點突破傳統制造在多任務、多線程、多功能復合加工中的局限，實現跨尺度“控形”與“控性”，為各類生物電子器件的結構-材料-功能一體化制造開辟了新路徑。

其中，激光誘導碳化（LIG）技術主要使用激光束對碳含量較高的材料進行定向加熱，主要通過光熱效應轉變為導電碳材料。該技術具有可圖案化、設計性強、圖案可轉印以及可調控的物化特性等優勢，已被應用于構建多類生物電子器件。

但是，在實現可拉伸、超薄生物電子集成系統方面，激光誘導碳化技術主要存在兩大挑戰：

(1) 在轉印LIG時，界面機械剝離力限制了彈性體厚度（通常>45 μm）。

(2) LIG與柔彈性聚合物間的楊氏模量差異較大，限制可拉伸本征導電性。

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圖1：激光誘導可拉伸生物電子界面的設計概念圖 近期，浙江大學楊華勇院士團隊與藥學院顧臻教授團隊聯合在《Nature Electronics》期刊上發表題為“Stretchable Graphene-Hydrogel Interfaces for Wearable and Implantable Bioelectronics”的研究論文，徐凱臣研究員與顧臻教授為論文通訊作者，浙江大學機械工程學院，流體動力基礎件與機電系統全國重點實驗室為第一單位。本工作創新點主要包括：

（1）首創激光碳化冷凍轉印新工藝，實現在最小 1.5 μm 厚的水凝膠表面的轉移,建立LIG在多類水凝膠界面轉印的普適性方法。

（2）采用水凝膠作為能量耗散界面與面外電子傳輸層，誘導貫穿裂紋趨于偏轉裂紋，提升LIG本征導電拉伸率約5倍。結合結構設計，導電可拉伸率可達220%（且電阻呈線性變化）。

通過突破上述關鍵技術，構筑了多功能表皮電子與心臟貼片，實現了體表多模態信號監測以及大鼠心臟電信號的原位監測，觀測到大鼠在冠狀動脈結扎后的心率失?，F象。

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圖2：激光碳化冷凍轉印，包括轉印方法、機理以及影響因素。本工作設計了厚度為1.0~1.5 μm的PPH水凝膠膜作為激光誘導多孔碳轉印的骨架材料（~10 μm厚的柔彈性介質為支撐層）。以聚乙烯醇(PVA)、植酸(PA)和天然蜂蜜為原料，制備了具有高粘附性、抗菌性、高生物兼容性的PPH水凝膠。通過分子動力學理論計算結合實驗，揭示極端低溫誘導轉印過程中，界面結合能演變機制。系統探索了激光功率密度、PPH層厚度、以及支撐層的楊氏模量對轉移效率的影響。

本工作發明了一種在零下196 ℃環境下，將激光誘導多孔碳從聚酰亞胺（PI）基底上剝離轉印到以PPH水凝膠為彈性體界面的方法。在極速冷凍界面，低溫膨脹的凝膠與多孔碳部分互嵌，同時富含缺陷位點的激光誘導多孔碳與含結晶水的凝膠表面的界面結合作用被明顯增強，保證了剝離過程中界面較強的剪切強度。分子動力學理論計算結合實驗驗證也證實了界面結合能的演變機制。這兩種效應均能促進導電圖案完整轉印，同時保持良好的界面機械穩定性。

浙江大學博士研究生陸雨姚（機械工程學院），楊賡研究員（機械工程學院），王慎強博士（藥學院），張宇琪研究員（藥學院）為并列第一作者。顧臻教授團隊在抗菌、生物兼容性以及動物實驗等方面提供了重要支持。柔性電子學家黃維院士對本工作提供了重要指導。本研究由國家自然科學基金、科技創新2030重大項目、國家重點研發計劃、浙江省領軍型創新創業團隊、浙江省尖兵計劃等多個項目資助。

圖3：抗菌與生物相容性測試，所提出的PPH水凝膠展示了優異的抗菌性能以及對小鼠傷口的愈合性能，且轉移激光誘導碳化基質后，復合物性能幾乎不受影響。

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圖4：基于激光誘導碳化與超薄PPH水凝膠復合物，系統研究了有無PPH凝膠薄膜的微裂紋與力電響應變化，構建了力敏、濕敏、溫度、心電傳感器。

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圖5：基于激光誘導碳化與PPH水凝膠界面的多功能表皮電子，可實時監測呼吸速率、心電、心率、表皮溫度與濕度信號。

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圖6：植入式貼片應用于監測大鼠心臟電信號，根據大鼠的心臟大小，定制電極陣列，觀測到大鼠在冠狀動脈結扎后的心率失?，F象。

審核編輯：劉清