第一作者：Yadong Xu, Zhilu Ye, Ganggang Zhao

通訊作者：閆政、高偉、Pai-Yen Chen

通訊單位：密蘇里大學哥倫比亞分校、加州理工學院、伊利諾伊大學芝加哥分校

論文速覽

在可穿戴設備、生物醫學植入物和軟體機器人中實現可伸展生物電子的全部潛力，需要具有本征柔軟性、高導電性和應變彈性的導電彈性復合材料。然而，現有的復合材料通常由于應變下導電路徑的中斷而犧牲了電氣耐久性和性能，并且嚴重依賴于高含量的導電填料。

在這里，研究團隊提出了一種原位相分離方法，促進了微尺度銀納米線組裝，并在孔隙表面創建了自組織的導電網絡。所得的納米復合材料具有高導電性、應變不敏感性和耐疲勞性，同時最小化了填料的使用。它們的韌性源于多尺度多孔聚合物基質，該基質可以分散應力，并且剛性的導電填料能夠適應應變引起的幾何變化。

值得注意的是，多孔微觀結構的存在將導電（或滲透）閾值降低了48倍，并且即使在超過600%的應變下也能抑制電性能退化。

理論計算得出的結果與實驗發現在數量上一致。通過將這些納米復合材料與近場通信技術配對，作者展示了適用于皮膚界面和植入式生物電子的可伸展無線功率和數據傳輸解決方案。這些系統實現了無需電池的無線供電和傳感，即使在50%的應變下，性能變化也不超過10%。

圖文導讀

圖1：相分離過程的示意圖和制備方法，以及多孔和非多孔Ag NW納米復合材料在原始和拉伸狀態下的比較。還包括了聚合物、溶劑和非溶劑的等溫三元相圖，以及對納米復合材料在不同應變下電阻變化的數值計算。

圖2：通過掃描電鏡圖像展示了不同Ag NW濃度下PSPN的微觀結構，以及PSPN和非多孔復合材料的電導率與Ag NW體積分數的關系。還包括在拉伸前后PSPN的微觀結構變化，以及不同應變下相對電阻變化的比較。

圖3：可伸展無線功率傳輸系統（WPT）的兩端口網絡模型和磁場分布，以及在50%應變下多孔和非多孔納米復合材料的磁場分布模擬。

圖4：展示了用于可穿戴和植入式生物電子的可伸展無線供電系統，包括理論評估、耦合系數、傳輸效率以及在活體動物中的植入式WPT系統演示。

圖5：用于多重生化傳感的全可伸展無線生物電子系統，包括無線生化傳感平臺的設計原理、無線監測不同離子的反射系數和頻率變化，以及在身體活動過程中的實時監測。

總結展望

本研究開發的基于相分離技術的多孔納米復合材料，通過在聚合物基質中形成自組織的銀納米線導電網絡，實現了超低的導電閾值和優異的應變不敏感性。該材料在超過600%的應變下仍能保持電性能穩定，展示了其在可穿戴和植入式生物電子設備中的潛在應用。

此外，通過與近場通信技術的結合，研究團隊展示了無線功率傳輸和數據傳感的可能性，為未來的個性化醫療保健和人機交互界面提供了新的思路。未來的研究可以探索新的制造技術，如增材制造，以實現該技術的規模化生產，并進一步開發基于NFC的無線生物電子設備，以滿足更廣泛的醫療保健需求。

文獻信息

標題：Phase-separated porous nanocomposite with ultralow percolation threshold for wireless bioelectronics

期刊：Nature Nanotechnology

DOI：10.1038/s41565-024-01658-6