可穿戴設備集成電化學傳感平臺在生物醫學應用中具有廣闊的前景。然而，傳統的電化學平臺通常構建于印刷電路板（PCB），在柔韌性和透氣性方面都比較差，并且缺乏延展性。而室溫下的液態金屬具有出色的流動性和導電性，在柔性電子產品領域顯示出良好的應用前景。

據麥姆斯咨詢報道，北京航空航天大學和清華大學的科研團隊開發出一種基于液態金屬的微型柔性織物電化學檢測系統，該系統具有柔韌性強、透氣性好、可貼合人體的特點。該科研團隊利用液態金屬優異的流動性和導電性，制造出雙層電路，顯著縮小了整個系統的尺寸。通過電阻、穩定性、圖像表征和鐵氰化鉀測試，驗證了該系統的線性響應、時間穩定性和可重復性。該系統可以檢測到汗液中毫摩爾水平的葡萄糖，在生物醫學領域的可穿戴和便攜式檢測方面（例如健康監測和即時檢測等）顯示出巨大的潛力。

基于液態金屬的織物電化學傳感器系統設計及其原理圖

目前，柔性可穿戴電化學傳感系統的研究已取得了初步進展。關于可穿戴生物傳感器此前已經發表過相關研究，這些可穿戴生物傳感器采用便攜式甚至可穿戴的檢測系統，采用像氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）、聚酰亞胺（PI）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚四氟乙烯（PTFE）等柔性基板。雖然它們具有出色的彎曲和拉伸能力，但其較差的透氣性致使在佩戴時給皮膚造成一定的負擔，甚至可能引起皮膚炎癥。因此，可穿戴設備的舒適性受到很大限制。

織物是一種常見的親膚材料。通過在織物上印刷制備的生物傳感器可以與皮膚直接接觸，同時增強了透氣性，提高了舒適度。現有的基于織物的生物傳感器已用于檢測葡萄糖、pH、乳酸和尿酸等生物信號。這些研究通過在織物上實現導電電路，驗證并應用了生物傳感器的功能。然而，使用普通的電子墨水，如用于印刷的納米銅、納米銀、納米金和石墨墨水，直接在織物上制造復雜電路仍然具有挑戰性。這主要是由于交叉電路需要多層互連，這在使用這些導電油墨的織物上很難實現。

柔性織物電路的制造工藝

在這項研究中，為了克服這些挑戰，研究人員使用室溫下的液態金屬鎵銦錫合金（Galinstan，68.5%的鎵、21.5%的銦和10%的錫）作為導體在織物上制造電化學傳感系統。由于其具有良好的流動性和導電性，鎵銦錫合金已成為柔性電子領域中柔性導體的重要候選材料。此外，出色的流動性允許自我修復，具有較強的延展性，這是柔性和可拉伸電子器件非常理想的材料。因此，研究人員將所有電路通過液態金屬印刷在兩層織物上以實現這種電化學傳感系統。

柔性織物電路的表征

通常，液態金屬成型的方法很復雜。例如，微通道噴射需要真空抽吸設備，霧化噴涂需要噴槍，3D打印需要一系列相關的打印設備。一些研究需要對液態金屬材料進行預處理，以使其具有粘性，從而降低后續成型步驟中的流動性。此外，雜質也會影響液態金屬的導電性。該研究中，科研人員利用聚甲基丙烯酸酯（PMA）將沒有雜質的液態金屬印花在織物上，無需額外的設備和復雜的預處理。膠水增強了金屬與織物之間的附著力，提高了電路的穩定性，整個織物基板的電路具有良好的透氣性。此外，制造工藝方便、快捷、人性化。這種基于液態金屬的織物電化學傳感系統通過開發一種基于液態金屬的雙層電路，集成了信號采集和信號處理的功能。

該系統主要由以下部分組成：基于液態金屬的柔性織物檢測電路、筆記本電腦上的控制軟件和可更換電極。該系統可以實現0~3?V范圍內的恒壓電路進行電化學檢測，并將獲得的數據傳輸到筆記本電腦的軟件中。傳感部分使用商用電極。該電化學傳感系統的功能通過鐵氰化鉀測試得到驗證。此外，人體汗液中葡萄糖的檢測是在毫摩爾水平上實現的，這表明其在可穿戴電化學傳感中的應用潛力很大。

用于葡萄糖檢測的織物電化學傳感器系統的測試情況

綜上所述，科研人員通過使用液態金屬制造兩層電路，引入了一種基于織物的微型電化學傳感系統，并實現了電化學傳感。由于液態金屬的流動性和織物的透氣性，這種緊湊的電化學系統為可穿戴傳感設備提供了極大的舒適性和便攜性。可實現0~3?V范圍內的恒壓電路，以用于葡萄糖濃度檢測。該系統的性能通過鐵氰化物測試得到驗證。此外，在人體汗液的干擾下檢測到了毫摩爾水平的葡萄糖，進一步證明了其靈敏度和穩定性。最重要的是，這種可穿戴且緊湊的織物電化學系統在健康監測、家庭診斷和治療、移動醫療和即時檢測方面具有很大的應用潛力。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-022-00365-3

審核編輯 ：李倩