基于胶体自组装与微转移印刷技术的高分辨率液态金属可拉伸电子器件

为解决液态金属(LM)在高分辨率图案化中的挑战，研究人员通过静电辅助胶体自组装和微转移印刷(μTP)技术，实现了最小5 μm特征尺寸的液态金属颗粒(LMP)薄膜图案化。该材料展现出超高导电性(2.4×106 S/m)、1200%拉伸率及应变/压力不敏感特性，成功应用于心脏标测等生物医学领域，为植入式器件和软机器人提供了新范式。

　　

在可穿戴设备和植入式医疗器材蓬勃发展的今天，液态金属(LM)因其独特的金属导电性和生物相容性被视为理想材料。然而，传统方法难以实现高分辨率图案化——这就像试图用毛笔绘制集成电路般困难。问题的核心在于液态金属高达600 mN/m的表面张力，以及其表面自发形成的纳米级氧化镓"皮肤"。现有技术要么受限于分辨率，要么因合金化反应改变材料本质特性，严重制约了液态金属在精密生物电子领域的应用。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究突破性地结合静电辅助胶体自组装和微转移印刷(μTP)技术，如同为液态金属量身定制了一套纳米级"模具"。研究人员首先通过超声破碎制备出核壳结构的液态金属颗粒(LMP)，利用聚苯乙烯磺酸钠(PSS)赋予颗粒负电荷。当这些"带电小球"遇到带正电的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)修饰基底时，在静电双层(EDL)效应下自发排列成单层密排结构。溶剂蒸发产生的毛细力（高达340 nN）使颗粒发生冷焊，形成导电网络。

关键技术包括：1) 超声调控LMP尺寸（0.6-3.3 μm）；2) 静电自组装层数控制薄膜厚度（1.5 μm起）；3) 微转移印刷实现5 μm线宽图案化；4) 动物实验验证（比格犬心脏模型）和人类离体心脏测试。

【自组装LMP导电薄膜】

通过原子力显微镜(AFM)探针单颗粒压缩实验证实，2 μm LMP的临界破裂力为340 nN。乙酸(AA)和乙二醇(EG)处理后，导电性提升至2.4×10⁶ S/m（接近块体LM），X射线光电子能谱显示镓峰增强证实氧化层减薄。

【μTP高分辨率图案化】

20 N/cm²转印压力下获得95%面积覆盖率，SEM显示颗粒破裂-融合特征。相比微流道LM器件，4 μm厚LMP薄膜在8 N/cm²压力下电阻变化仅3%，展现出卓越的压力稳定性。

【非凡机电性能】

1200%拉伸时电阻变化仅18%，SEM揭示多尺度动态形态演变：200%应变时颗粒椭圆化，1000%时形成连续网络。这种"自修复"特性源于氧化层破裂-重组动态平衡，使电阻几乎不随应变改变。

【心脏标测应用】

集成于12 Fr球囊导管的8×8微电极阵列(MEA)在犬心脏实验中记录到27.5 dB信噪比的电信号，阻抗低至2 kΩ（1 kHz）。人类离体心脏测试成功绘制心房/心室激活图，时间分辨率匹配临床心电图(ECG)。

这项研究开创了液态金属图案化的新范式，其意义不仅在于突破"高分辨率"与"超拉伸性"的互斥难题，更重新定义了生物电子界面的设计准则。5 μm的精度使电极密度提升一个数量级，为心律失常病灶精确定位提供可能；而应变不敏感特性解决了传统传感器在动态组织中的信号失真问题。未来，这种像"第二层皮肤"般的电子器件，或将在神经接口、肌肉电生理监测等领域展现更大潜力。正如研究者指出，该方法的关键突破在于"将流体的优势固化为固体的可控性"——这或许正是自然进化给人类的技术启示。