在极低温度下转移激光诱导石墨烯用于超薄生物电子学真相究竟是什么？

最近发布在《自然电子学》上的一项研究讨论了可拉伸石墨烯-水凝胶界面，用于可穿戴和植入式生物电子学。

具有机械柔软、薄和生物相容特性的可拉伸和导电纳米复合材料在开发可穿戴类皮肤设备、智能软体机器人和植入式生物电子学方面发挥着至关重要的作用。

尽管已经报道了几种涉及表面工程的设计策略来克服脆性电极和可拉伸聚合物之间的机械不匹配，但使用目前的超薄可拉伸导电纳米复合材料实现具有不同功能的各种组件的单片集成仍然具有挑战性。这归因于缺乏与简单的图案化策略兼容的合适导电纳米材料系统。

激光诱导石墨烯通常来源于聚酰亚胺的激光辐照，具有各种独特的优点，例如简单的数字图案化过程、与图案转移方法的兼容性，以及可调谐的物理和化学特征，以生产各种可穿戴传感器。

然而，由于将LIG转移到软弹性体的机械限制，这些多功能器件是在柔性PI基板或相对较厚的弹性膜上构建的。此外，脆性LIG和弹性聚合物之间的机械失配阻碍了导电纳米复合材料的拉伸性。

该文章的作者描述了一种基于超薄弹性LIG水凝胶的纳米复合材料，用于多功能皮肤和植入式生物电子学。提出了一种新策略来创建超薄图案化的LIG基纳米复合材料，该纳米复合材料是通过低温将LIG转移到水凝胶膜上形成的。然后，解决了脆性LIG和弹性聚合物之间的机械失配问题，弹性聚合物采用水凝胶作为能量耗散界面和面外电路径。

LIG中可能会产生连续偏转的裂纹，从而使固有的拉伸性提高五倍以上。总体而言，这项研究为构建基于超薄碳水凝胶的可拉伸纳米复合材料提供了一种可行的策略，用于集成传感器系统，从而在可穿戴/植入式生物电子学和人机交互方面实现多样化应用。

通讯作者Kaichen Xu指出，“传统的LIG转移方法需要更大厚度的弹性体或胶带在剥离过程中提供强大的界面力，阻碍了共形生物电子学的应用。通过使用超薄和粘合性聚乙烯醇/植酸/蜂蜜水凝胶在 –196°C 下进行低温转移方法，克服了将 LIG 转移到弹性体的机械限制。

在快速冷却过程中，缺陷多孔石墨烯与水凝胶内结晶水之间的界面结合能增强，如分子动力学计算所示。在180°剥离试验中，也捕捉到了77 K时表面结合力的急剧增加。最大瞬态剥离力 160 Nm-1在77 K时观察到，远高于源于PPH在环境温度下的自体粘附。

此外，所提出的低温转印策略允许将LIG转移到其他类型的粘合剂或非粘附剂水凝胶上，表明该转印技术的普遍性。然而，只有粘附水凝胶形成了机械稳定的结合界面，特别是在拉伸应变下。

通过简单的激光直写和低温转移技术，将多模态传感器组件集成为多功能可穿戴传感器片，用于皮肤体外监测。此外，基于微图案化的LIG纳米复合材料的超薄和生物相容性特性允许与Sprague Dawley大鼠的心脏无缝接触，以原位跟踪心脏信号。