南京邮电大学赵强教授、大连理工大学刘军山研究员 Adv. Mater.:相变驱动的共形生物界面

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针对上述挑战，南京邮电大学赵强教授、大连理工大学刘军山研究员近日在Advanced Materials上发表题为“Phase-Transition-Driven Adaptive Reconfiguration of Wearable Devices for Conformal Biointerfaces”的研究成果。

柔性电子与非标准化生物组织实现共形集成，是下一代可穿戴技术的核心关键。然而，传统柔性器件多为平面不可展基底，难以适配生物体非平面、多毛、动态变化的复杂表面。为此，本文提出一种通用的固-液-固相变调控策略：以水溶性聚乙烯醇为基底，遇水可临时液化流动、完美贴合目标形貌，随后原位固化，形成理想的共形界面。该重构器件可构筑高强度界面，兼具可拉伸、无应力等优势，还能实现强/弱黏附可逆切换，可按需溶解剥离，无痛无损伤。基于此技术制备的自适应传感器与电极，既能紧密包裹蠕动的蚕体实现运动监测，也能贴附多毛刺的植物叶片开展电生理检测，大幅拓展可穿戴电子在传统难以触及的复杂生物表面的应用场景。

创新性提出一种通用型固-液-固相变调控策略，以水溶性聚乙烯醇（PVA）为基底，彻底打破传统柔性器件的平面局限，实现与复杂生物表面的完美共形集成。其核心原理简单又精妙：器件遇水后会临时液化，像“液体贴合剂”一样流动，精准适配目标表面的每一处形貌（无论是多毛刺的叶片、蠕动的蚕体，还是人体皮肤的褶皱），随后原位固化，形成牢固、无应力的共形界面，真正做到“贴哪适配哪”。不止贴合，更兼顾性能与便捷性。这项相变技术不仅解决了“贴合难”的痛点，更在性能上实现多重突破。（1）高强度界面，稳定可靠：构筑的共形界面界面韧性达29 J/m²，抗拉强度161 kPa，可承受拉伸、弯曲等动态形变，长期贴合也不易脱落、不失真。（2）可逆黏附，无痛剥离：可实现强、弱黏附状态的可逆切换，既保证监测时的牢固性，又能按需溶解剥离，做到无痛、无损伤，适配长期佩戴需求。（3）普适性极强，场景多元：无需针对不同生物表面定制器件，一套策略可适配多种复杂场景，大幅降低应用成本。

图1 用于共形紧密生物电子界面的相变方法。a) 人体和植物的不规则多毛弯曲表面示意图。b) 传统柔性电子基于机械形变方法发生形变以贴合表面。c) 基于相变方法实现基板重构以适配弯曲表面。d) 初始状态下，平面柔性电子（FEs）贴合在半球透镜上并产生褶皱。e) 贴合在非展开表面上的柔性电子，其面积需进行调整以实现贴合。f) 包裹聚苯乙烯微球的柔性电子。g) 包裹叶脉的柔性电子。（K_d和K_s分别代表柔性器件和弯曲表面的高斯曲率）。

从植物到动物，解锁可穿戴新场景。基于该技术制备的自适应传感器与电极，已实现多个场景的成功应用，打破传统可穿戴电子的应用壁垒。紧密贴附多毛刺、多褶皱的植物叶片，精准捕捉植物电生理信号，为植物生长状态监测、抗逆性研究提供全新工具。无缝包裹蠕动的蚕体，稳定记录其运动轨迹与生理信号，为昆虫行为学、生物医学研究提供可靠支撑。无应力贴合人体皮肤，可用于心率、体温等健康数据的长期监测，兼顾舒适性与精准度。

图2 用于植物和人体生理信号监测的共形电极。a) 含羞草的结构。b) 叶枕和叶柄运动的形态变化结构。c) 贴附于小羽片上的共形电极层。d) 传感器薄膜在叶片上具有共形性的彩色扫描电子显微镜图像。e) 用于含羞草的传统电极。f) 刺激后含羞草的理论慢波电位。g) 多次刺激后的慢波电位信号。h) 心电测量的示意图。L、R 和 F 分别代表左臂电极、右臂电极和左腿电极的位置。i) 左胸部的共形电极。j)、k) PVA/AgNWs 电极在机械形变下仍能与皮肤保持共形接触。l) PVA/AgNWs 电极从有体毛的人体皮肤上剥离，并在施加较大力时发生薄膜破损。m) 运动状态下 PVA/AgNWs 电极与商用 Ag/AgCl 电极的心电图信号对比。n)、o) 放大视图，显示 PVA/AgNWs 电极清晰的 P 波、QRS 波和 T 波，以及商用 Ag/AgCl 电极的运动伪影。

重新定义可穿戴电子的应用边界，这项相变驱动共形集成技术，不仅解决了柔性电子与生物组织适配的核心难题，更将可穿戴技术的应用范围拓展到传统技术难以触及的复杂生物表面。未来，将持续优化技术性能，推动其在生物医学监测、农业智能检测、柔性机器人等领域的产业化应用，让柔性电子真正“融入”生物世界，为各行业发展注入新动能！

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.73074

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