南京邮电大学赵强等团队Advanced Materials!!相变驱动可穿戴设备的自适应重构用于共形生物界面

柔性电子器件因其可弯曲、可折叠和可拉伸的特性，开创了新一代电子设备的新纪元，使其能够自由改变形状并附着于各种物体表面。为了实现有效功能，这些器件需要与目标物体进行原位集成以实现现场检测。柔性电子器件与目标表面之间的软质共形粘附对于健康监测、运动追踪和人机交互至关重要，因为它能够提高检测能力并最小化运动伪影。然而，这些目标物体（包括植物、人体以及其他自然和人造物体）的复杂且不规则表面呈现出不规则、多毛和动态可变形等特征，给无缝集成带来了重大挑战。这些表面通常具有变化的曲率，要求生物电子器件具备机械可拉伸性、柔韧性、柔软性和强粘附性，以建立形状自适应且稳固的界面。目前大多数柔性器件基于褶皱、蛇形或波浪结构实现宏观接触，但其微观尺度的结构起伏阻碍了真正的亚微米级共形能力。超薄柔性电子器件通过最小化弯曲刚度和半径来实现无缝可穿戴传感器，但需要外部压力才能实现有效接触。此外，亚微米级厚度的器件虽然可以仅依靠范德华力建立接触，但仍受其固有平面几何形状的限制，缺乏主动重塑和适应任意表面形貌的能力。因此，将柔性电子器件与柔软、动态演化的生物组织进行共形融合仍然是一个巨大挑战。

在这项研究中，研究人员提出了一种通用的固-液-固相变策略，利用水溶性聚乙烯醇作为基底材料，通过水触发实现临时的液化流动以匹配目标形貌，随后原位固化，从而实现完美的共形界面。该策略首先将器件在刚性基底上采用常规技术制备，然后通过溶解牺牲层将其转移到聚乙烯醇薄膜上。当这种平面固态聚乙烯醇/电极结构放置于不规则目标表面时，引入水使固态聚乙烯醇薄膜液化，液态聚乙烯醇凭借其流变特性流动并完美适应几乎任何表面曲率，水分蒸发后数分钟内重新固化，再生出与目标形貌保持高共形性的固态薄膜。研究结果表明，重构后的器件能够与皮肤建立稳固（界面韧性约29 J m⁻²，拉伸强度约161 kPa）、可拉伸且无应力的界面。该稳固界面允许在强粘附与弱粘附之间进行可逆切换，同时可按需溶解以实现无痛、无创伤的移除。研究人员验证了该方法在形状自适应传感器和电极上的应用，这些器件能够无缝包裹脆弱的蠕动蚕体进行运动追踪，以及包裹多毛、带刺的叶片进行植物电生理监测，将可穿戴电子器件的适用范围扩展到了此前难以触及的生物表面。

本研究引入了一种相变策略，将柔性电子器件转变为瞬态液态皮肤，使其能够流动进入并固化贴合生物系统的任意微观/宏观形貌。所形成的范德华键合界面具有共形、可拉伸、稳固且完全无应力的特点，同时可在水的按需作用下溶解以实现无痛移除。在蚕、含羞草叶片、多毛人体皮肤和胸部的应用演示表明，该方法能够实现无中断的运动追踪和临床级心电图记录，这些应用此前受到刚性、凝胶基或缝合固定电极的阻碍。通过将电子器件与最脆弱、弯曲和动态的生物表面进行无扰动融合，该工作解锁了对以往难以处理目标的原位高保真监测，拓展了生物集成器件的前沿领域。该方法与现有阳极支撑型固体氧化物燃料电池制备工艺完全兼容，无需额外的浸渍步骤或复杂的后处理，具有工艺简单、成本低廉、适用范围广等优点，为开发高性能生物集成电子器件提供了一条切实可行的技术路径，对推动可穿戴电子技术在生物监测领域的实际应用具有重要价值。