理大研发液态金属微电极 具柔软、透气、可拉伸优点 可用于植入式生物电子装置

来源：香港理工大学研究及创新事务处 ，作者PolyU RIO

植入式生物电子装置可以紧贴皮肤，甚至是放入人体，相信将在未来被广泛应用于不同领域，例如医疗科技，甚或是新兴的扩增实境技术。香港理工大学（理大）的研究团队成功研发出一种独特的微电极，能适用于上述用途。此研究成果已于国际科学期刊《Science Advances》发表。

不同于传统电子产品，可穿戴或植入式电子装置的用料需要整合一系列特定性能，例如必须能拉伸自如和柔软透气，放置于人体后不会令使用者感到不适或受伤。与此同时，生物电子装置就如日常家居设备一样，仍然需要依赖具备高导电性且可以印上微细电路图案的电极。

由理大应用生物及化学科技学系软材料及器件讲座教授郑子剑教授领导的跨学科研究团队，成员来自理大时装及纺织学院、生物医学工程学系、应用生物及化学科技学系、智能可穿戴系统研究院和潘乐陶慈善基金智能能源研究院，以及香港城市大学和香港心脑血管健康工程研究中心。团队克服多项技术限制，研发出一种能应用于植入式生物电子装置的电极，其特点是具前所未有的柔软度、可拉伸性和可渗透性，在可穿戴科技领域创新猷。

此技术的关键步骤，是将一种纤维聚合物以静电纺丝的方法，放到银质微型电路图案上，从而产生液态金属微电极（简称μLME），可以以超高密度进行电路图案化，达至每平方厘米多达75,500个电极，比过往的技术多出数千倍。这些μLME具有长期生物兼容性，人体皮肤能舒适地穿戴，更已证明可用作监测动物大脑的特定应用。

放在人类手臂上的μLMEs数字图像(LM负荷量，每平方厘米10毫克)

过去，生物兼容的电子装置均在多孔弹性体上制造，但其多孔而粗糙的基质限制了电路图案的分辨率，因而难以提高电极密度。研究团队成功突破此瓶颈，透过光刻技术把电子线路放在纤维聚合物基质上，实现了像薄纸般柔软，能在大应变下高度导电，以及具备长期生物兼容性的μLME。

用作μLME的导电组成部分的共晶镓铟（EGaIn）是一种具有低熔点温度、能在极端应变下保持导电性，同时柔软且高度生物兼容的液态金属合金。制造过程中，以EGaIn制成的电路图案会放在一片经静电纺丝而成的可渗透「纤维垫」上，该垫为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）。此制法形成了柔软而可拉伸的电子装置，可供舒适地穿戴和植入。相对采用不渗透基质时仅能转移部份电极微电路图案，郑教授的团队于2021年首次开发这种超弹性纤维垫概念，用于新开发的μLME中，保证了来自银模板的电极微电路图案能以光刻完全转移。

从硅芯片转移至SBS纤维垫的Ag微型掩模图像的数字图像。

μLME柔软、可渗透液体和气体，并且拉伸自如，在高应变下反复拉放后，其电阻只轻微上升。以μLME制成的电子贴在紧贴人体皮肤时，经按压后只会留下微量甚或完全没有残留物。可穿戴电子装置本身具有庞大市场潜力，应用范围涵盖生理监测、医疗诊断和互动技术，而此技术突破将进一步加强其发展可能性。

为了验证μLME的柔软度和可拉伸性能使其成为植入神经接口以进行大脑监测的理想选择，团队亦合成了具有小电极直径和高信道密度的μLME数组，用作充当老鼠大脑中的皮层电图信号接收器。μLME具有与脑组织相似的机械性能，能紧贴皮质表面，准确记录神经信号。当沉睡中的老鼠发出非快速眼动睡眠时的典型可识别脑电波时， μLME数组即能精确检测到老鼠回应施加在身体不同部位电刺激而产生的体感诱发电位。

高密度μLMEs的数字图像，密度高达每平方厘米75,500个电极。

郑教授同时是理大智能可穿戴系统研究院副院长及潘乐陶慈善基金智慧能源研究院首席研究员。他表示：「透过结合光刻技术和柔软、可渗透的SBS纤维垫，成就了解像度和生物兼容性均前所未见的μLME微电极，克服了旧有生物电子装置生产方法的技术限制，相信可推动医疗和扩增实境等领域的发展。」

郑教授相信μLME微电极可推动医疗和扩增实境等领域的发展。

本研究项目获研资局「高级研究学者计划」、理大、香港城市大学、国家科学自然基金委员会和InnoHK创新香港研发平台资助，团队期望透过提高刻印μLME图案的解像度，在未来进一步推广此项发明。

审核编辑 黄宇