在此，香港理工大学郑子剑教授联合香港城市大学于欣格教授共同报告了一种可渗透的三维集成电子皮肤。该系统利用三维图案化多层液态金属电路和可拉伸混合液态金属焊料，将高密度无机电子元件与有机可拉伸纤维基底相结合。这种电子皮肤具有高柔软性、耐用性、类似织物的透气透湿性和足够的生物相容性，可在皮肤上附着一周。作者利用该平台创建无线、电池供电和无电池的皮肤附着生物电子系统，该系统具有复杂的系统级功能，包括稳定的生物信号传感、信号处理和分析、电刺激和无线通信。相关成果以“Permeable, three-dimensional integrated electronic skins with stretchable hybrid liquid metal solders”为题发表在《Nature Electronics》上，第一作者为Qiuna Zhuang, Kuanming Yao为共同一作。
P3D-电子皮肤的设计和制造
P3D-电子皮肤(P3D-eskins) 是一种柔软且可拉伸的集成电子系统，由四层可拉伸和渗透层组成，包括基础和顶部的液态金属 (LM) 电路层、粘贴掩模层、焊料层以及封装层（图 1a）。利用高拉伸性、低模量和生物相容性的共晶镓基合金作为 LM，制作了具有微图案的电路层，用于天线、互连件、焊盘和触点。刚性电子元件通过部分氧化液态金属 (oLM) 和 LM 组合的 hLM 粘合到电路上，并通过电纺的透气防水 SBS 垫封装（图 1b-c）。P3D-电子皮肤显示出高度的柔软性和可拉伸性（图 1d-e），透气性和透湿性优于传统医用胶带（图 1f-g）。在水和人工汗液中，P3D-电子皮肤的电气稳定性得以验证，并在皮肤测试中表现出良好的生物相容性，避免了炎症（图 1h）。相比之下，使用 PDMS 制作的类似 3D 电子皮肤由于不渗透性导致皮肤红斑。
图1: P3D电子皮肤
hLM 焊料可实现可靠的 3D 电气接口
为了实现 P3D-电子皮肤的高拉伸性和稳定性，作者开发了超拉伸 hLM 焊料，以确保不同垂直层之间的无缝接口，提供必要的电绝缘和连接（图 2a-c）。原始 LM 具有高流动性但润湿性低，适用于基础和顶部电路层的可拉伸电路，而 oLM 由于润湿性高，被用作接触垫。混合连接方法将刚性芯片和软SBS界面处的应力集中系数降低了30%（图2d），在1,500%应变下表现出稳定性（图2e）。P3D-电子皮肤的不同层之间没有明显的界面间隙，确保了无缝接口（图2g）。在大应变下，连接到 hLM 焊料的微电阻和 MOSFET 电路表现出稳定的电性能和亮度（图2h-k）。此外，可拉伸逻辑电路在各种压力下正常工作（图2l-m），证明了这种材料的卓越性能和潜力。
图2 |使用超拉伸 hLM 焊料的可靠 3D 混合接口
远距离无线经皮电刺激系统
图3a示出了基于P3D-电子皮肤平台制造的无线经皮电刺激和电生理传感系统的框图。该系统搭载蓝牙低功耗（BLE）5.1内置MCU，配备2.4GHz BLE LM天线（平面倒F型天线），能够与移动设备提供稳定的无线控制和数据传输功能，距离可达15米（图3b）。嵌入式电刺激电极可以产生具有精确控制的电流强度、频率和占空比的高压电脉冲，从而向用户或动物的身体提供电刺激。通过控制MUX的开/关周期，直流高电压被转化为频率（1-100 Hz）和占空比（1-10%）精确控制的周期性脉冲（图3c）。由于P3D-电子皮肤的高渗透性，即使在沸水中蒸煮，电脉冲的生成也没有信号偏移或电气故障（图3d, e，f）。通过移动设备发送设置命令来控制P3D-电子皮肤的DAC输出电压，产生的电流脉冲通过皮肤界面LM电刺激电极传递，穿过身体进入电流控制模块，其中电流强度被精确设置在0-2mA范围内（图3g）。作者利用P3D-电子皮肤对大鼠的股二头肌进行电刺激（图3h），记录了大鼠股二头肌邻近区域的实时肌电图（EMG）信号。在刺激期间，相应的肌电图对各种频率有响应（图3i），并且与刺激输入匹配良好（图3j），这证明无线P3D-电子皮肤系统成功地传递了电刺激。
图3 ：使用 P3D-电子皮肤 进行无线经皮电刺激和电生理传感
无电池 P3D-电子皮肤系统
作者还利用近场通信（NFC）技术开发了一种无电池P3D-电子皮肤（图4a），其封装前后如图4b、c所示，具有高度柔韧性和可拉伸性。与蛇形铜线圈相比，NFC的LM天线线圈在设计紧凑性、可拉伸性和电磁稳定性方面更优。LM线圈在相同面积上比铜线圈更紧凑，匝数是其两倍（图4e）。 LM线圈在300%应变下仍能良好连接，而铜天线在50%应变时断开，应力分布更均匀，应力集中系数比Cu线圈低586倍（图4f）。LM线圈在电感（图4g）、品质因数（图4h）、相位（图4i）和阻抗（图4j）方面在13.56 MHz频率下表现出高稳定性。P3D-电子皮肤提供高佩戴舒适度和生物相容性，在剧烈运动时不会导致汗液积聚和皮肤问题（图4k），而PDMS-电子皮肤导致明显皮肤红斑（图4l）。多位置生理温度图可描绘男性在不同环境中的热图像（图4m, n）。连续睡眠监测中，P3D-电子皮肤的信号记录比PDMS-电子皮肤更稳定，温度值与商用红外热成像仪记录一致，对皮肤的热影响更小（图4o）。此外，P3D-电子皮肤的透气性使其更接近裸露皮肤调节体温的真实情况，更柔软且更具拉伸性，减少热伪影和信号波动。
图4 ：基于P3D-电子皮肤平台的无电池可伸缩NFC系统
小结
将商用电子元件与可拉伸印刷电路相结合的生物电子学可提供高质量和持续的健康监测和干预。长期使用需要可渗透且可拉伸的3D集成电子系统，但高集成密度的3D集成可拉伸电子产品通常使用不渗透材料，而高渗透性系统的集成密度较低。作者开发了一种P3D-电子皮肤，使刚性电子元件能够以3D配置与可拉伸纤维基材集成，并使用可拉伸混合LM焊料提供可靠接口，通过LM VIA形成垂直电气连接，并通过纤维垫形成电绝缘。作者的集成策略通过逐层制造原位电纺纤维垫和可拉伸VIA连接的微图案LM电路，实现了多层柔软可拉伸电路。与可拉伸薄膜基材制成的皮肤相比，P3D-电子皮肤更轻、更薄、更柔软且更具拉伸性，并在皮肤测试中表现出长期生物相容性。
作者简介
郑子剑，香港理工大学教授。1999-2003年清华大学化工系本科；2007年英国剑桥大学化学系及纳米中心博士，研究领域为高分子科学及有机光电子学（导师Prof.Wilhelm T. S. Huck）；2008-2009年美国西北大学纳米中心博士后，研究纳米制造（导师Prof. Chad A. Mirkin）。2009年加入香港理工大学任助理教授，2013年晋升为终身副教授，2017年晋升为正教授。
郑教授的研究领域包括材料表界面科学，纳米制造，新型柔性材料，柔性电子应用（包括传感器、锂电池、太阳能电池、超级电容器等），其在Science、Nature Materials、Nature Communications、Joule、Advanced Materials、Advanced EnergyMaterials、Advanced Functional Materials、JACS等高影响因子期刊上发表论文近140余篇，拥有国内外专利20余项，荣获十多项国际大奖。近年担任Wiley新旗舰期刊EcoMat主编，Advanced Materials和Small的客座编辑，Advanced Energy Materials编委，并当选（首批）香港青年科学院科学家（45岁以下香港科学家最高荣誉）。2020年当选为长江学者讲座教授，2021年评选为香港研资局高级研究学者。
于欣格，香港城市大学生物医学工程系副教授、博导，香港数字医学院副院长，香港心脑血管健康工程研究中心副主任，香港城大-中科院机器人联合实验室副主任。2023年获评香港RGC Research Fellow。优秀青年科学基金（港澳）、《麻省理工科技评论》创新35人、IEEE纳米医学发明家、MINE青年科学家、日内瓦国际发明展金奖等奖项获得者。研究方向为新型柔性电子在生物医疗领域以及智能触觉VR中的应用。Microsystems & Nanoengineering、Bio-Design and Manufacturing、IEEE Open Journal of Nanotechnology 等10余部期刊副主编及编委。斯坦福top 2%高被引学者，在Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Machine Intelligence、Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances 等期刊发表论文160余篇，申请/授权美国专利40余项。
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