在中國科學(xué)院與科睿唯安公司聯(lián)合發(fā)布的《2018研究前沿》報告中，“可拉伸材料和器件”被列為化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域第三大前沿?zé)狳c，以生物集成電子為代表的可拉伸電子器件包括電子皮膚、可穿戴電子、人機(jī)交互接口和植入式器件的發(fā)展尤為迅猛。同時具有仿生力學(xué)特性（非線性粘彈性、軟而強(qiáng)韌、優(yōu)異的彈性）和生物學(xué)特性（生物相容性和可降解性）的彈性體是研制該類器件的基礎(chǔ)，然而目前仍然非常有限。
針對上述瓶頸問題，東華大學(xué)材料學(xué)院游正偉教授團(tuán)隊提出新型雜化交聯(lián)分子設(shè)計，研制了新一代力學(xué)和生物學(xué)雙重仿生皮膚的彈性體材料，并展示了其在生物集成電子領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景。相關(guān)工作以《面向生物集成電子的力學(xué)和生物學(xué)雙仿生類皮膚彈性體》(Mechanically andbiologically skin-like elastomers for bio-integrated electronics)為題，發(fā)表于國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。材料學(xué)院博士生陳碩為論文第一作者，游正偉教授為通訊作者，管清寶副教授及我?；ど飳W(xué)院何創(chuàng)龍教授和周小軍博士為共同作者。該工作還獲到了天津大學(xué)劉文廣教授和康奈爾大學(xué)王亞冬教授的指導(dǎo)。
基于團(tuán)隊長期研究的生物彈性體聚癸二酰甘油二酯（PSeD），該工作設(shè)計并合成了脲基嘧啶酮（UPy）修飾的PSeD，制備了具有氫鍵和共價雜化交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的PSeD-U彈性體。通過氫鍵和共價交聯(lián)密度的調(diào)控，該材料的韌性可以達(dá)到共價交聯(lián)PSeD彈性體的11倍，強(qiáng)度是其3倍。該彈性體表現(xiàn)出與人體皮膚類似的力學(xué)性能（楊氏模量：0.64±0.10 MPa；抗撕裂能：3670±86.6 J/m2），還具有優(yōu)異的生物相容性和生物降解性。最后，作者設(shè)計并制造了基于微結(jié)構(gòu)PSeD-U介電元件的高靈敏度壓電傳感器和基于銀納米線的電阻應(yīng)變傳感器器件，展示了其在生物集成電子領(lǐng)域的良好應(yīng)用潛能。
為了證實該類材料具有類皮膚的特性，作者首先通過化學(xué)交聯(lián)密度的調(diào)控，篩選出了與皮膚具有近似模量（0.42-0.75 MPa）的PSeD-U20彈性體。進(jìn)一步，通過優(yōu)化氫鍵的密度（UPy基團(tuán)含量）在保持適宜仿生模量的同時大幅度提升了材料的強(qiáng)度和韌性，得到拉伸強(qiáng)度（0.73±0.10MPa）、最大形變（509±24%）的樣品PSeD-U20-12h。作者根據(jù)不同的形變范圍將應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為三個區(qū)域，并提出了氫鍵的“力學(xué)隱形”機(jī)制：在低應(yīng)變（區(qū)域i），PSeD-U20-12h彈性體表現(xiàn)出與無氫鍵的PSeD-12h彈性體相似的模量，此時氫鍵處于“力學(xué)隱形”狀態(tài)；隨著應(yīng)變的增大，氫鍵解離耗散機(jī)械能，因此區(qū)域ii的應(yīng)變-應(yīng)力曲線對應(yīng)的斜率小于區(qū)域i；而在大應(yīng)變（區(qū)域iii）下，氫鍵解離達(dá)到飽和，主要貢獻(xiàn)的是共價交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，與區(qū)域ii相比，區(qū)域iii的模量迅速增加。這種具有自增強(qiáng)特性的非線性應(yīng)力-應(yīng)變行為與人類皮膚極其相似（如圖2）。此外，彈性體PSeD-U20-12h的抗撕裂能（3670±86.6 J/m2）與皮膚（3600? J/m2）相當(dāng)。
除了力學(xué)特性，生物降解性和生物相容性等生物學(xué)特性也是人類皮膚的重要特征，是生物集成電子器件理想性能要求。通過體外酶解實驗、細(xì)胞相容實驗和小鼠皮下的生物相容性實驗等證實PSeD-U彈性體材料具有良好的生物降解性和生物相容性。
為了證明PSeD-U彈性體在生物集成電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，作者制備了一種基于微結(jié)構(gòu)PSeD-U20-12h彈性體介電膜的壓電傳感器（如圖4）。該傳感器在低壓時(p<2 kPa)的靈敏度為0.16 k Pa?1，高壓時(2 < p < 10 kPa)的靈敏度為0.03 kPa?1。此外，在循環(huán)壓縮試驗中，它表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和較小的遲滯性。
進(jìn)而，作者還結(jié)合銀納米線制備了可拉伸的皮膚仿生應(yīng)變傳感器。由于PSeD-U彈性體的仿生皮膚力學(xué)性能，該傳感器不僅能夠檢測手腕運(yùn)動造成的拉伸應(yīng)變，并且還能夠?qū)κ滞髲澢斐傻钠つw褶皺的變化進(jìn)行監(jiān)控（如圖5）。
該工作通過設(shè)計氫鍵和共價鍵雜化交聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)展了首個力學(xué)和生物學(xué)雙重仿生皮膚的彈性體材料，該材料具有類皮膚的非線性應(yīng)力應(yīng)變力學(xué)行為、軟而強(qiáng)韌的力學(xué)特性、良好的抗撕裂性能、生物相容性能以及降解性能。作者提出的氫鍵的“力學(xué)隱形”機(jī)制是實現(xiàn)該彈性體材料類皮膚力學(xué)性能的關(guān)鍵，可以拓展到其它強(qiáng)弱鍵雜化交聯(lián)體系，具有一定的普適性，為在人工合成材料中實現(xiàn)仿生力學(xué)的構(gòu)建提供了簡便、高效的新策略。同時具有優(yōu)異的力學(xué)和生物學(xué)特性的彈性和相應(yīng)的器件將會在植入式電子醫(yī)療器械、生命體征監(jiān)測、人機(jī)交互、軟體機(jī)器人、人工智能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、東華大學(xué)勵志計劃等項目資助。
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