南科大于严淏团队《National Science Review》：黏塑性中间层实现非平面电极的紧密封装

柔性电子器件中非平面电极通常为线状、条状或网格状，在电极触点和外部接口附近与封装层之间形成多个非平面边界，给导封界面带来了严峻挑战。封装层难以沿着高低不平的电极结构形成保形贴合，在界面处容易形成微观间隙，微观间隙会进一步形成连通的的缺陷通道。不保形界面形成的缺陷通道会使生物流体渗入电极内部，导致封装失效，进而引发材料分层、导线脱落、电极损坏和腐蚀等一系列问题，严重降低电极的长期稳定性与使用寿命。

近日，南方科技大学于严淏团队设计了一种由聚异丁烯和马来酸酐接枝聚丙烯组成的高阻隔黏塑性封装中间层，利用链滑移和永久解缠结机制，实现了对微丝、微柱、蛇形电极等多种非平面电极的紧密贴合与气密封装，将可拉伸生物电子器件的体内信号保真时间延长至45周。相关论文以“Intimate encapsulation of non-planar electrodes via a viscoplastic interlayer”为题，发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。南方科技大学博士生刘丽倩和相昕玥为论文第一作者，于严淏为论文通讯作者。

图1：粘塑性中间层（VPI）的设计原理。

为了诱导体相黏塑性，聚合物网络需要通过不可逆机制最小化弹性能量储存并最大化能量耗散，例如链滑移、永久解缠结和共价键断裂。基于这一原理，黏塑性中间层（VPI）采用物理缠结、高阻隔性的聚异丁烯（PIB）作为聚合物基体，PIB低聚物作为增塑剂，马来酸酐接枝聚丙烯（MAPP）作为限制域（图1）。物理缠结的PIB基体由于其非交联特性，在应力下具有很高的链滑移倾向。PIB低聚物通过增加自由体积和润滑长链PIB进一步促进了链滑移。MAPP域通过空间限域滑移的长链PIB确保了永久解缠结。以上过程协同抑制了弹性回复，并赋予了VPI较大的残余应变。

图2：非平面电极的封装。

体相黏塑性、界面共价键合与低水汽透过率共同赋予VPI气密封装非平面电极的能力（图2）。力学剥离测试表明，黏塑封装的稳态剥离力比传统弹性封装高30倍。钙腐蚀试验结果表明，当密封钙膜浸入水中时，黏塑封装的密封耐受时间是弹性封装的14倍，充分验证了保形接触与紧密粘附有效阻断了水分子沿电极/封装界面的渗入。

图3：非平面电极气密封装实现生物电子器件的长期体内运行。

VPI封装策略对非平面电极展现出卓越的密封保护能力（图3）。在模拟生理环境中，弹性封装的力电耦合器件在2周后界面渗漏导致器件失效，而黏塑封装的器件在50周后仍保持稳定的信噪比（34.5 dB）。且黏塑封装策略在不同酸碱环境和循环机械变形后仍能保持信号稳定输出。进一步开展大鼠模型体内长期植入研究，弹性封装在2周后观察到分层和血液渗透现象，信噪比大幅下降。相比之下，黏塑封装策略将器件的信号保真时间延长至45周。得益于封装材料优异的生物相容性和高阻隔性能，该器件在体内稳定工作45周，且未引发炎症反应或组织损伤。

文章信息

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag297