北科大王东瑞教授课题组 Small：无掩模直接印刷制备高分辨率、可定制化、适形性好且可回收的曲面微电极

2025-03-18 来源：高分子科技

三维（3D）电子器件凭借其优化的空间配置、优异的曲面适应性和高集成密度等优势，突破了传统平面结构的局限，为健康监测、无线供能和人机交互等前沿领域提供了革命性解决方案。然而现有曲面电子制造技术面临显著挑战：非接触式纺丝、喷涂沉积、液膜转移、自适应3D打印等工艺在制造三维曲面电极时普遍存在电学性能不稳定、图案分辨率不足、工艺兼容性有限等瓶颈问题。

针对这一技术困局，北京科技大学王东瑞教授团队创新性地提出"直写-转印（DW&T）"制造策略。研究团队基于前期利用墨水直写技术制备高性能二维平面电极的积累（ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 9906?9915；ACS Appl. Nano Mater. 2024, 7, 14898?14905），融合转移印刷原理，成功突破传统DIW技术对三维曲面适配性不足的限制。该技术通过在聚四氟乙烯（PTFE）柔性基底上制备高精度平面电极，并巧妙利用水凝胶相变特性与PTFE低表面能特性，实现了电子图案从二维平面到三维曲面的无损转移。

实验数据显示，这种DW&T技术可精准调控电极形貌参数：电极线宽调控范围50-400 μm，线高0.07-2.3 μm，最小线间距达20 μm。更值得关注的是，该技术展现出普适性优势，在贝壳表面复杂纹理、隐形眼镜曲面、人体皮肤等复杂3D基底上均实现了高精度、高强度的保形贴附，同时支持通过水浸处理实现电极的无损回收与循环利用。

研究团队进一步展示了DW&T技术在生物电子领域的应用——基于该技术成功制造具有多参数可调特性的隐形电子皮肤。这种革新性器件不仅具备优异的生物相容性，更实现了透光率（22.5-88.7%）、面密度（10.1-54.7 mg/cm2）、导电性（0.5×10⁶-2.1×10⁶ S/m）及耐拉伸应变特性（可承受50%拉伸应变）等关键性能的精准调控。利用其高适形、低阻抗、高力学和化学稳定等特性，电子皮肤可与人体各部位紧密贴合，在保持宿主触觉灵敏度和皮肤生理功能完整性的同时，可连续7天稳定捕获心电、肌电等微伏级生物电信号，为无感化健康监测提供了新的可靠解决方案。

图1 曲面电子制备过程及相应的样品照片

DW&T技术可实现线宽低至50 μm，间距低至20 μm的曲面电子图案的任意制造。

图2 图案的转移机制及转移前后图案的光电性能

通过控制印刷图案在干态和湿凝胶态两种状态间的转变，可以将PTFE基底上的图案转移至各种3D曲面上，并且转移后的图案具有优异的导电性。

图3 印刷图案在弯曲、拉伸和回收过程中表现出电阻稳定性

基于上述方法制备的曲面微电极图案在弯曲、拉伸、回收实验中表现出优异的电导稳定性。

图4 基于DW&T技术制备的电子皮肤的各项性能。

图5 基于DW&T技术制备的隐形电子皮肤用于收集人体的电生理信号

该成果以"Mask-Free Direct Printing of Highly Customizable, Conformable, Robust, and Recyclable Microelectrodes for Advanced Curvy Electronics"为题，发表于材料科学期刊《Small》。北京科技大学化学与生物工程学院王东瑞教授为通讯作者，博士研究生孔祥一为第一作者。研究工作得到国家自然科学基金项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202410201

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（责任编辑：xu）

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