《Advanced Materials Technologies》：Hierarchically Wrinkled Silver Ink as a Platform for Fully Integrated Stretchable Electronic Systems
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高性能可拉伸电子器件的发展仍受限于电导率、机械回弹性与低成本可制造性之间的基本权衡。本工作引入一种银层级响应墨水（Silver Hierarchical Responsive ink, SHRink），作为制备高可拉伸互连、布线和皮肤界面电极的通用策略。SHR
高性能可拉伸电子器件的发展仍受限于电导率、机械回弹性与低成本可制造性之间的基本权衡。本工作引入一种银层级响应墨水（Silver Hierarchical Responsive ink, SHRink），作为制备高可拉伸互连、布线和皮肤界面电极的通用策略。SHRink表现出高电导率（1.2E04 S cm?1）、大拉伸性（最大断裂应变235%）和机械耐久性，在30%应变下经历1500次循环仍保持稳定电性能。皮肤相容性测试证实SHRink无刺激性，适合长期直接表皮应用。为展示该技术的系统级转化能力，研究人员制备了全集成可拉伸心电（electrocardiogram, ECG）监测系统。在该架构中，可拉伸电路板的互连、布线和电极均通过统一材料平台实现，消除了对异质制造策略的需求。本工作为下一代可穿戴医疗监测器和全集成柔性电子系统建立了一条可扩展且与制造兼容的路径。
研究背景与问题：可拉伸电子在可穿戴健康监测、软体机器人、人机界面、集成器件和环境传感等领域受到持续关注。传统电子器件的刚性、笨重控制单元限制舒适性和可穿戴性；软电子器件可通过适应机械变形并保持高电导率而更有效地贴合周围环境。现有软电子研究主要集中在结构赋能可拉伸导体、本征导电弹性体、液态金属和导电复合材料，但各路线在拉伸性、导电性、成本和皮肤相容性之间存在固有性能权衡，难以实现全集成可拉伸电子系统。结构工程策略（如蛇形设计）可使刚性金属获得柔性和可拉伸性，但相比线性设计需要更大占位面积，因导体伸长增加电路电阻，并受金属本征刚性限制拉伸性；印刷于硅弹性体上的褶皱金薄膜虽经机械优化，但高电阻率不适合可拉伸印刷电路板（stretchable printed circuit boards, PCBs）制造；银墨可用于表皮传感器，但有限拉伸性和导电性不适合稳健印刷电路。水凝胶和本征导电弹性体具有良好生物相容性并用于皮肤界面传感器，但有限电导率与复杂集成电路（integrated circuits, ICs）要求不兼容；纳米线可提供高电导率，但高成本和制造复杂性阻碍量产；液态金属具有高拉伸性和高电导率并用于软IC及可拉伸PCB互连，但其液态属性限制其作为人机界面介质，材料不稳定性不适合长期使用；导电表面涂覆聚合物复合材料可用于可穿戴监测布线和传感器并适合量产，表面工程如褶皱或层级结构可增强变形下电机械性能，但仍存在低电导率和有限拉伸性。当前全可拉伸可穿戴设备依赖异质材料和制造策略分别实现电路与传感器，需要多步制造和后处理并增加生产成本；迄今尚无可同时提供类金属电导率用于布线和互连、并支持高性能皮肤界面传感器的可拉伸墨水。为此，研究人员报道了SHRink。
研究人员开展的研究与意义：SHRink通过将银纳米颗粒（silver nanoparticles, AgNPs）悬浮液喷涂到预拉伸聚苯乙烯（polystyrene, PS）片，随后热收缩和烧结形成金属褶皱银层，再转移至硅弹性体基板而制备。该材料实现高电导率（最高1.2E04 S cm
?1）、最大断裂应变235%以及耐久弹性，在30%应变下1500次循环后仍保持稳定电性能，适合可拉伸集成电路PCBs。与先前收缩或褶皱金属方法相比，该方法无需昂贵功能材料或复杂制造方法，同时保持优异电机械性能；喷涂和转移印刷的褶皱银膜将简单、可扩展制造与导电性和拉伸性优势结合。皮肤安全测试显示SHRink无刺激性、适合直接皮肤接触；结合可扩展制造和低材料成本，具有工业采用潜力。作为系统级展示，研究人员构建了完全可拉伸的无线ECG监测平台，其电路板、互连和电极均由SHRink实现。
关键技术方法（≤250字）：研究人员采用喷涂印刷、热收缩、AgNPs烧结和转移印刷构建SHRink：将AgNPs悬浮液经激光雕刻掩膜喷涂到预拉伸PS片，150°C加热35 min使PS收缩并诱导AgNPs烧结形成微褶皱，旋涂Ecoflex硅弹性体固化后用沸腾丙酮溶解PS，将褶皱银层转移至弹性体，并以商用银浆安装表面贴装器件（surface-mounted device, SMD）或连接布线；封装时再旋涂Ecoflex。表征采用3D激光扫描共聚焦显微镜测厚度与形貌，四探针法和源表测电导率，电动线性执行器与LCR表测拉伸及循环电性能，扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）观察形貌；人体受试者实验按机构审查委员会（Institutional Review Board, IRB；STUDY00000585）标准开展，进行1、3、7天皮肤刺激性评价，并与Biopac MP36、Apple Watch及WT9011DCL加速度计同步测试ECG。
研究结果：
2.1 SHRink的制备：通过将低黏度AgNPs悬浮液喷涂于带激光雕刻掩膜的PS片，150°C加热35 min诱导PS热收缩和AgNPs烧结，随后旋涂硅弹性体、固化并以沸腾丙酮溶解PS，研究人员实现了褶皱银层向弹性体的转移，并用商用银浆安装SMD；电极、布线和电路板采用同一流程、不同掩膜制备。由于PS与金属膜的刚度失配，银膜在收缩过程中形成微褶皱；转移后的褶皱可在外力下展开并在撤力后恢复，使复合材料在机械变形下保持高电导率并恢复初始电性能。该制备路线支持可拉伸电路板、电极和布线的统一制造。
2.2 SHRink的电学与机械表征：通过SEM观察到烧结后AgNPs融合为圆润整体并形成平滑连续颗粒边界，而未烧结收缩样品呈离散颗粒和尖锐边界。喷涂时间与AgNP沉积厚度线性相关；1至6 min喷涂的SEM显示皱纹随时间变得更明显、更大，5 min时出现次级结构（皱纹自身折叠），这种褶皱形貌通过应变释放决定材料拉伸性；较薄条件无次级褶皱。轮廓仪显示1至6 min喷涂后褶皱高度增加，5 min时褶皱图案空间均匀性最佳；更厚样品易从PS脱落且过于脆弱。四探针测量表明，随喷涂时间由1 min增至5 min，褶皱银薄膜电导率呈指数增加，5 min后进入平台；原文将1至5 min电导率增加归因于颗粒-颗粒接触增加，150°C烧结时表面扩散和颈形成生成连续金属通路，银负载增加降低薄膜孔隙率并增加有效导电路径，超过5 min后接近逾渗阈值，电导率改善有限。转移后电导率下降，原文认为可能由于从PS剥离时银膜被拉伸并开裂，但转移膜仍保持适合可拉伸电子应用的电导率。拉伸测试显示，1至5 min喷涂样品的断裂应变随喷涂时间增加，6 min时突然下降；原文归因于少于5 min时屈曲位点形成有限，限制可逆变形，而更长喷涂产生过厚银层且明显皱纹穿透硅弹性体，导致异质应力分布；故选用5 min条件。与可直接用于皮肤的其他可拉伸导体比较，SHRink协调了高电导率与机械拉伸性。为确定皱纹贡献，研究人员将平坦银薄膜烧结于Ecoflex并测试，其仅能拉伸至5%应变即断裂，而褶皱银薄膜可达235%应变；SEM显示褶皱在应变下展开以容纳伸长而不破裂。基于此，18个发光二极管（light-emitting diode, LED）并联的“UCI”阵列在拉伸至50%应变时无明显变暗；SHRink复合材料依次拉伸至10%、20%直至100%，每次拉伸-松弛循环后保持原电导率，100%应变下电阻仍低于30 Ω；安装10 kΩ电阻的单组件电路在70%应变下保持优异弹性恢复，电阻仅增加0.5%；在30%应变下进行1500次循环测试后，导体恢复原始电阻且无明显基线漂移。额外Ecoflex封装使SHRink最大拉伸性达300%，机械耐久性显著增强，与既往封装改善导电复合材料电稳定性的结果一致。上述结果表明SHRink适合动态可穿戴应用。
2.3 基于SHRink的可拉伸电路板（SCB）与电极：通过已验证的电机械性能，研究人员构建了用于ECG信号采集和无线数据通信的多层可拉伸PCB；该ECG板包括差分放大器单元、电压反相器、交流-直流（AC-DC）转换器、蓝牙模块、为蓝牙模块供电的5 V至3.3 V电压转换器以及去噪电容，蓝牙模块以150 Hz速率传输数据。与易产生运动伪影的刚性传统电缆相比，SHRink基布线柔软且高度贴合皮肤，可防止皮肤-器件界面相对位移；可拉伸导线可定制，分段部分通过导电银浆连接以实现电路板与测量位置之间所需距离和路径。研究人员将完整ECG监测系统与商用ECG监测系统（Biopac）同步测试，并以脉搏传感器（Apple Watch）进行心率基准、以加速度计（WitMotion, WT9011DCL）记录运动。记录方案为静坐20 min、慢跑10 min、运动后再静坐20 min；静息记录的Bland-Altman分析显示Biopac与可拉伸ECG监测器所得心率一致，表明二者在静息监测中具有可比一致性。运动期间，可拉伸ECG监测器计算的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）为12.9 dB，高于Biopac的6.77 dB，数据可视化也显示运动时可拉伸ECG监测器信号质量更好；运动期间可拉伸ECG记录与Biopac所得平均心率分别为74.3 BPM和84.3 BPM，Apple Watch记录心率为70 BPM；与Biopac系统相比，可拉伸ECG监测系统提供更可靠记录，并符合物理监测设备±10%可接受误差率。电极作为信号源与记录系统之间的初始界面，其质地影响可穿戴舒适性；由于干电极直接接触皮肤，皮肤安全性是重要标准。研究人员将三个SHRink基干电极用医用级黏合剂（Tegaderm）贴附于受试者前臂1、3、7天，去除后未见不良反应，表明其适合长期直接表皮应用。
讨论与结论部分译述：当前软电子制造技术局限于传感器制造或电路制造，尚缺乏可同时生产全集成系统的整体平台。本工作提出的SHRink平台可通过喷涂和转移印刷创建具有优异电机械性能的高可拉伸导体，既用于表皮传感器制造，也用于可拉伸PCB生产，并兼容标准拾放组件。热收缩过程中AgNP膜与PS基板之间的刚度失配形成褶皱结构，使SHRink具有最高235%的拉伸性、至少1500次循环稳定性；烧结AgNPs之间拓宽的导电路径产生优化的初始电导率1.2E04 S cm
?1。对于需直接接触皮肤的表皮传感器，SHRink表现出皮肤安全特性，适合动态和长期监测。基于SHRink的ECG监测系统在静息条件下具有与商用ECG监测器相当的信号质量，并在动态条件下表现更好。该多功能材料允许通过同一工艺生产完整可穿戴系统，为全集成软可穿戴系统提供高效方案。讨论部分指出，SHRink的电导率和拉伸性仍可改进；更小尺寸AgNPs可用于潜在地增加褶皱银膜密度以形成更导电通路，其他纳米材料也可利用该策略改善拉伸性；与研究人员先前银墨工作相比，因皱纹引入而拉伸性显著改善，增加拉伸性也可通过封装实现。当前系统可通过优化基板架构增强透气性，并进一步研究其在生理相关环境条件（包括湿度变化和汗液暴露）下的长期稳定性。由于该工艺适合放大和自动化，可容易修改以整合到工业工作流中，实现低成本大规模生产。该材料的广泛应用包括但不限于其他可穿戴健康监测设备、脑机接口、嵌入式数据采集与处理以及软体机器人。
