南郵AM：新型相變驅動可穿戴設備實現與生物表面的完美貼合

柔性電子器件為可穿戴健康監測、運動追蹤和人機交互帶來了革命性機遇。然而，這些器件大多以傳統的平面形式制造，而人體皮膚、植物葉片等生物組織表面卻呈現出非平面、多毛、動態形變等復雜特征。真正的“共形接觸”要求器件在目標表面的每一個點上都匹配其曲率，但即便是最具拉伸性的柔性電子器件，也只能實現宏觀尺度的接觸，微觀結構起伏使得亞微米級的真正共形難以實現。更棘手的是，傳統方法往往需要對器件施加機械彎曲、拉伸或扭曲來逼近目標形貌，這不僅會累積應變能、產生內應力，還可能損傷器件甚至目標生物組織。如何在柔軟、動態演變的生物表面上實現無應力、無褶皺的完美貼合，同時還能實現無痛按需移除，一直是該領域面臨的巨大挑戰。

針對上述難題，南京郵電大學趙強教授、大連理工大學劉軍山研究員合作團隊提出了一種普適性的固-液-固相變策略。該策略利用水溶性聚乙烯醇（PVA）作為基底，在濕潤時臨時液化并流動以匹配目標形貌，隨后原位固化，形成完美的共形界面。這種重構后的器件能夠在皮膚上建立強韌（界面韌性約29 J/m2，拉伸強度約161 kPa）、可拉伸且無應力的界面。更重要的是，該強韌界面可在強粘附與弱粘附之間可逆切換，并可通過按需溶解實現無痛、無創傷的移除。研究團隊通過形狀自適應的傳感器和電極驗證了該方法的有效性，這些器件能夠無縫包裹脆弱、蠕動蠶寶寶的身體用于運動追蹤，以及覆蓋多毛、帶刺的葉片用于植物電生理監測，將可穿戴電子的應用邊界拓展至此前難以企及的生物表面。相關論文以“Phase-Transition-Driven Adaptive Reconfiguration of Wearable Devices for Conformal Biointerfaces”為題，發表在Advanced Materials上。

相變方法實現完美共形界面

研究團隊展示的相變方法始于一個簡單的科學洞察：傳統的柔性器件作為固體薄膜，具有有限的彎曲剛度，在非展開曲面（如球面、馬鞍面）上不可避免地會產生褶皺。而他們的策略是在器件貼附后引入水，觸發PVA基底在數秒內從固態轉變為液態。在液態下，PVA憑借其流變特性可以自由流動，自適應地匹配目標表面的局部形貌，甚至能滲入毛發根部或葉片的微小氣孔。待水分蒸發后，液態PVA在幾分鐘內重新固化，形成一個與目標形貌高度一致的無應力薄層。掃描電鏡圖像清晰顯示，重構后的PVA薄膜能夠完美包裹直徑僅200微米的聚苯乙烯微球，以及葉片上起伏復雜的葉脈結構，實現了從宏觀到微觀的全尺度共形。

圖1 用于共形且緊密生物電子界面的相變方法。 （a）人體和植物不規則、多毛彎曲表面的示意圖。 （b）基于機械變形方法的傳統柔性電子器件發生形變以匹配表面。 （c）基于相變方法的基底重構以適應彎曲表面。插圖為PVA與皮膚復制品共形集成的圖像。 （d）平面柔性電子器件層壓在半球透鏡上的初始狀態，存在褶皺。 （e）柔性電子器件層壓在未展開表面上，需要面積變化。 （f）柔性電子器件包裹聚苯乙烯微球。 （g）柔性電子器件包裹葉脈。 （a）圖使用BioRender.com創建。（K_d和K_s分別表示柔性器件和彎曲表面的高斯曲率。）

機械性能與粘附特性表征

研究團隊通過系統的力學測試進一步揭示了這種相變界面的優異性能。原始PVA薄膜的楊氏模量約為112 MPa，而重構后的PVA薄膜由于引入了表面微結構，模量顯著降低至約19.5 MPa，拉伸應變范圍也從約157%擴展至約176%，這意味著器件變得更加柔軟、可拉伸。在粘附性能方面，90°剝離測試和拉伸測試結果表明，重構PVA薄膜在豬皮上的界面韌性約29 J/m2、拉伸強度約161 kPa，在葉片上分別達到約45 J/m2和163 kPa，甚至高于光滑玻璃表面的數值，表明表面粗糙度反而增強了界面粘附。更重要的是，這種PVA基界面在經歷5次干-濕循環后，剝離粘附力變化僅約2%，表現出優異的機械穩定性。而最令人印象深刻的是，佩戴者只需在流水下沖洗約20秒，PVA即可溶解，器件輕松脫落，無任何殘留，實現了真正無痛的按需移除。

圖2 重構PVA基底的機理和力學特性。 （a）通過施加水，PVA薄膜從固態到液態再到固態的共形轉變過程。 （b）模擬結果顯示固態PVA薄膜的非共形接觸和液態PVA的共形接觸。 （c）固態PVA薄膜在多毛彎曲皮膚上的實驗結果。 （d）原始和重構PVA薄膜在多毛彎曲皮膚上的比較。 （e）PVA薄膜和皮膚復制品上的皮膚紋理具有高相似度。 （f,g）原始和重構PVA薄膜的應力-應變曲線。 （h）PVA薄膜與目標的90°剝離和拉伸強度測試。 （i）PVA與目標（如玻璃、豬皮、葉片、紙張）的界面韌性和拉伸強度。 （j）PVA與目標的180°剝離測試和剪切強度測試。 （k）PVA與目標（如玻璃、豬皮、葉片、紙張）的界面韌性和剪切強度測試。 所有測試均按照相應的ASTM標準進行。（i）和（k）中的數值表示平均值和標準差（n=3次獨立測量）。統計顯著性和p值通過雙側Student t檢驗確定：p < 0.01，*p < 0.001。

曲面共形打印的普適性展示

利用這種相變轉移印刷方法，研究團隊將傳統光刻工藝制備的金屬電極（如金電極）和納米材料電極（如銀納米線電極）成功轉移到了各種復雜表面上。從人類大腦模型（包括表面和腦溝內部）、多毛的手腕、半球透鏡到帶刺的莖、多毛的葉片，再到波浪狀的葉脈，該技術均實現了無褶皺的共形貼附。特別值得一提的是，在半球透鏡上，未經相變處理的PVA/電子器件呈現出明顯的大褶皺；而施加水觸發相變后，器件與透鏡形成了完全無褶皺的共形接觸，最小適應彎曲半徑可達100微米。這一系列跨越三個數量級特征尺寸的成功包裹實驗，充分證明了水觸發相變方法的普適適應性和高分辨率共形能力。

圖3 針對目標物體的重構薄膜的表征。 (a) 柔性電子器件轉移印刷方法的示意圖。 (b) 從剛性基底上剝離由PVA薄膜支撐的柔性電子器件。 (c, d) 由背襯層保護的PVA/柔性電子器件復合結構。 (e) 層壓在不同物體上的柔性電子器件，包括包裹大腦模型、多毛的食指、半球形透鏡以及葉脈。

活體應用：從蠶寶寶到人類手指的運動監測

相變策略最為引人注目的應用之一，是在極度脆弱的活體生物上的無縫集成。研究團隊將PVA/銀納米線應變傳感器直接貼附在蠶寶寶柔軟、蠕動、不斷形變的身體上。對比實驗顯示，佩戴傳感器的蠶寶寶與未佩戴的個體在彎曲半徑、爬行速度和最大體長方面均無顯著差異，證明該超薄共形傳感器完全不會干擾蠶的自然行為。在蠶的蠕動過程中，傳感器電阻隨身體節律性伸縮而規律變化，實現了對運動過程的實時監測。更令人稱奇的是，當傳感器貼附在布滿細密皺紋和汗毛的人類手指上時，它能夠完美貼合每一道微紋和毛根。在手指以30°、60°、90°、120°彎曲的過程中，傳感器均輸出清晰的相對電阻變化信號。而傳統方法剝離時因強粘附力會拔出汗毛、引起疼痛，但相變器件只需用水溶解即可在30秒內無痛移除——剝離后的傳感器甚至保留著皮膚紋理的“蛇蛻”狀負模，充分證明了其極高的共形精度。

圖4 用于蠶寶寶和人體運動檢測的完全共形傳感器。 （a）用于蠶寶寶的柔性應變傳感器示意圖。插圖為安裝在蠶寶寶上的傳感器，為增強可視化效果染成紅色，實現了共形接觸。 （b）由PVA和銀納米線組成的柔性應變傳感器示意圖。 （c）銀納米線嵌入PVA基底的掃描電鏡圖像。 （d）安裝傳感器的蠶寶寶扭動身體。 （e）佩戴/未佩戴傳感器的蠶寶寶彎曲半徑比較。 （f）佩戴/未佩戴傳感器的蠶寶寶爬行速度和最大體長比較。（e）和（f）中的數值表示平均值和標準差（n=5次獨立測量）。NS，不顯著。 （g）蠶寶寶爬行過程的電阻變化監測。 （h）傳感器在蠶寶寶上的強粘附力測試。 （i）通過膠帶剝離測試評估傳感器與皮膚的界面粘附。 （j）通過施加水和刷洗皮膚，實現可生物降解應變傳感器的無損傷移除。 （k）集成在布滿皺紋手指上的應變傳感器。 （l）食指不同彎曲角度下的電阻變化。 （m）從手指上剝離應變傳感器因強粘附力引起疼痛。 （n）剝離后的傳感器呈現出明顯的皮膚紋理，證明了良好的一致性。

植物與人體電生理監測

在含羞草上，相變電極實現了此前難以企及的植物電生理原位監測。傳統剛性電極需要刺穿莖部才能采集信號，會造成結構性損傷；而PVA/銀納米線電極只需輕輕貼附在葉片表面，即可實現無間隙接觸，甚至完整包裹葉片上的氣孔。在連續五次觸碰刺激下，電極記錄到含羞草的慢波電位幅值依次為152.8、101.6、77.4、56.5和54.4 mV，清晰呈現出觸碰誘導的信號疲勞和飽和現象，并完整捕捉到了快速去極化與長達數分鐘的再極化過程。在人體心電監測中，相變電極無需導電凝膠、膠帶或外部壓力，即可在運動狀態下保持穩定的皮膚接觸。運動后，PVA/銀納米線電極仍能輸出清晰的P波、QRS波群和T波，而商用Ag/AgCl凝膠電極則因凝膠移位和運動偽影出現了波形偏移和P波幅值衰減。這一結果證實，相變電極在保持臨床級信號質量的同時，徹底消除了傳統濕電極的運動偽影脆弱性。

圖5 用于植物和人體生理信號監測的共形電極。 （a）含羞草的結構。 （b）葉枕和葉柄的運動形態結構。 （c）層壓在小葉上的共形電極。 （d）電極薄膜在葉片上共形性的彩色掃描電鏡圖像。 （e）含羞草中的傳統電極（經許可轉載[29]。版權2010，Wiley-VCH）。 （f）含羞草受刺激后的理論慢波電位。 （g）多次刺激下的慢波電位信號。 （h）心電圖測量的示意圖。L、R和F分別代表左臂電極、右臂電極和左腿電極的位置。 （i）左胸上的共形電極。 （j,k）PVA/銀納米線電極在機械變形下仍與皮膚保持共形接觸。 （l）PVA/銀納米線電極從人體皮膚上剝離，在施加較大外力時帶出體毛并破壞薄膜。 （m）運動狀態下PVA/銀納米線電極與商用Ag/AgCl電極的心電信號比較。 （n,o）放大視圖顯示PVA/銀納米線電極清晰的P波、QRS波群和T波，以及商用Ag/AgCl電極的運動偽影。 （h）圖使用BioRender.com創建。

總結與展望

本研究提出的相變策略將柔性電子器件轉變為一種瞬態的“液態皮膚”，使其能夠自由流入并固著于生命系統的任意微米/宏觀形貌之上。由此形成的范德華力鍵合界面兼具共形、可拉伸、強韌且完全無應力的特點，同時可遇水按需溶解實現無痛移除。從蠶寶寶、含羞草葉片到多毛的人類皮膚和胸部，研究團隊展示了無干擾的運動追蹤和臨床級心電記錄——這些應用此前因剛性電極、凝膠電極或縫合固定電極的局限而難以實現。通過將電子器件與最脆弱、最彎曲、最動態的生物表面以無擾動的方式融合，這項工作為以往難以觸及的目標開啟了原位、高保真監測的新可能，并將生物集成電子器件的前沿拓展至全新的邊界。