隨著數(shù)字健康技術(shù)的飛速發(fā)展，三維曲面電子器件在健康監(jiān)測(cè)、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用前景日益廣闊。然而，傳統(tǒng)制造方法受限于基底或掩模依賴，難以滿足高分辨率、無基底、共形附著的三維曲面電子器件需求。北京科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近期在《Small》期刊發(fā)表的論文，提出了一種名為"無掩模直接書寫轉(zhuǎn)移"(DW&T)的技術(shù)，為解決這一行業(yè)瓶頸提供了新思路。

DW&T技術(shù)的核心創(chuàng)新在于突破了傳統(tǒng)制造的限制。該技術(shù)通過臨時(shí)基底打印與溶液調(diào)控轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了無基底導(dǎo)電圖案的精準(zhǔn)制備。具體工作流程包含四個(gè)關(guān)鍵步驟：首先，在室溫環(huán)境下，通過直接書寫含納米銀線(AgNWs)的水性墨水，在平面聚四氟乙烯(PTFE)基底上打印AgNWs圖案；其次，用氯化鈣(CaCl?)溶液處理圖案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)海藻酸鈉聚合物鏈的交聯(lián)與AgNWs網(wǎng)絡(luò)的毛細(xì)管焊接；第三，潤濕三維目標(biāo)物體表面，將帶有圖案的PTFE薄膜共形附著于其上；最后，將圖案轉(zhuǎn)移至三維曲面，并去除空白PTFE基底。

這項(xiàng)技術(shù)的真正突破在于其可回收性。研究顯示，轉(zhuǎn)移后的圖案可通過浸泡水、用聚PTFE薄膜拾取，再重復(fù)上述步驟(3)和(4)，實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)使用。圖2f-h的數(shù)據(jù)表明，AgNWs圖案在5次回收循環(huán)中電阻變化保持穩(wěn)定，浸泡數(shù)分鐘水不會(huì)對(duì)AgNWs圖案的電導(dǎo)率產(chǎn)生不良影響。這種可回收特性大大降低了電子皮膚的使用成本，為大規(guī)模應(yīng)用鋪平了道路。

圖1.（a）DW&T打印與回收工藝的示意圖。（b）將AgNWs電極的條紋圖案，具有確定的線寬（W≈50μm）和可調(diào)節(jié)間距（20–50μm）印在PTFE表面，然后（c）轉(zhuǎn)印到玻璃瓶表面。

在技術(shù)性能方面，DW&T技術(shù)展現(xiàn)出了令人印象深刻的指標(biāo)。通過精準(zhǔn)控制制備步驟，研究團(tuán)隊(duì)成功在任意三維曲面上制備了線寬低至50μm、間距小至20μm的納米銀線圖案，且轉(zhuǎn)移后的圖案無缺陷、無損傷，完整保留了直接書寫打印圖案的所有結(jié)構(gòu)特征。這在現(xiàn)有技術(shù)中是難以實(shí)現(xiàn)的。

圖2.（a）聚酰亞胺（PI）基底上AgNWs圖案的電阻隨彎曲半徑的變化。（b）聚酰亞胺（PI）基底上AgNWs圖案在10,000次彎曲循環(huán)測(cè)試中的電阻變化。（c）不同幾何構(gòu)型的AgNWs圖案在拉伸應(yīng)變下的電阻變化。（d）具有表面褶皺的蛇形AgNWs圖案的典型掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（e）AgNWs圖案在15%拉伸應(yīng)變下經(jīng)10000次循環(huán)拉伸-釋放測(cè)試的電阻變化。（f）AgNWs圖案作為可穿戴電子器件的回收利用示意圖。（g）AgNWs圖案在5次回收循環(huán)中的電阻變化。（h）AgNWs圖案的電阻隨水中浸泡時(shí)間的變化。

機(jī)械穩(wěn)定性測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了該技術(shù)的實(shí)用性。在聚酰亞胺基底上打印的線寬150μm納米銀線圖案，在1mm-10mm寬范圍的彎曲半徑內(nèi)進(jìn)行凹凸彎曲測(cè)試時(shí)，電阻幾乎無變化。更令人印象深刻的是，該電極在15%拉伸應(yīng)變下經(jīng)10,000次循環(huán)拉伸-釋放測(cè)試后，電阻變化可忽略不計(jì)，極大滿足了表皮電子設(shè)備對(duì)拉伸性的嚴(yán)苛要求。

圖3.（a）無基底AgNWs圖案電子皮膚（e-skin），打印于人體多個(gè)部位，用于無線采集電生理信號(hào)。（b）新鮮制備的電子皮膚與商用新鮮凝膠電極在濕潤皮膚表面的界面阻抗對(duì)比。（c）在（b）中同一電子皮膚與凝膠電極在空氣中暴露7天后，于干燥皮膚表面的界面阻抗。（d）前臂皮膚上的透明無基底圓形納米銀線網(wǎng)格電極，用于采集不同手勢(shì)產(chǎn)生的肌電信號(hào)（EMG）：i)皮膚表面銀納米線電極的光學(xué)圖像；ii)干燥皮膚、iii)濕潤皮膚下，電子皮膚與商用凝膠電極采集的肌電信號(hào)；iv)電子皮膚測(cè)量的肌電電位隨握力的變化關(guān)系。

在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，該技術(shù)開發(fā)的電子皮膚表現(xiàn)出色。如圖3所示，無論是在濕潤皮膚表面還是長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，電子皮膚都能與人類皮膚保持在20-1000Hz頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定界面阻抗。與商業(yè)凝膠電極相比，該電子皮膚能產(chǎn)生高質(zhì)量肌電圖信號(hào)，甚至可以檢測(cè)手部握持不同力度時(shí)肌肉收縮產(chǎn)生的特征肌電信號(hào)。圖3d展示了透明無基底圓形納米銀線網(wǎng)格電極在前臂采集不同手勢(shì)產(chǎn)生的肌電信號(hào)，清晰展示了其在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。

DW&T技術(shù)的創(chuàng)新價(jià)值不僅在于性能指標(biāo)的提升，更在于其制造流程的簡(jiǎn)化和成本的降低。傳統(tǒng)曲面電子器件制造往往需要復(fù)雜的掩模和基底處理，而DW&T技術(shù)通過無掩模直接書寫，大幅簡(jiǎn)化了制造流程，降低了成本。同時(shí)，其可回收特性進(jìn)一步降低了使用成本，使得高性能表皮電子器件有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。

從技術(shù)原理角度看，DW&T方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于巧妙利用了毛細(xì)管焊接原理。CaCl?溶液處理同時(shí)實(shí)現(xiàn)海藻酸鈉聚合物鏈交聯(lián)與AgNWs網(wǎng)絡(luò)焊接，這種雙重作用機(jī)制是該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、無缺陷轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵。這一機(jī)制為其他類似制造技術(shù)提供了新的思路，具有普適性價(jià)值。

在數(shù)字醫(yī)療領(lǐng)域，這種技術(shù)將推動(dòng)表皮電子器件的革新。高分辨率、共形附著的微電極可以實(shí)現(xiàn)更精確的生理信號(hào)采集，為健康監(jiān)測(cè)、疾病診斷提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。其超薄(可低于10μm)、高透光(透明度>90%)、低成本等優(yōu)勢(shì)，也使其在人機(jī)交互、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

對(duì)比傳統(tǒng)表皮電子器件，DW&T技術(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)是全面的：在成本方面，無需昂貴掩模，且可回收使用；在導(dǎo)電性方面，AgNWs網(wǎng)絡(luò)提供優(yōu)異的導(dǎo)電性能；在防水性方面，電子皮膚在濕潤環(huán)境中表現(xiàn)穩(wěn)定；在超薄性方面，厚度可控制在微米級(jí)；在透光率方面，幾乎不影響視覺；在可定制化方面，可針對(duì)不同曲面和功能需求靈活調(diào)整。

這項(xiàng)研究的意義不僅在于技術(shù)突破，更在于其為表皮電子器件的實(shí)用化提供了可行路徑。通過將制造復(fù)雜度從"需要精密掩模"轉(zhuǎn)變?yōu)?直接書寫轉(zhuǎn)移"，并加入可回收設(shè)計(jì)，該技術(shù)顯著降低了技術(shù)門檻和使用成本。

北京科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)的工作表明，通過巧妙利用材料特性與工藝設(shè)計(jì)，可以突破傳統(tǒng)制造方法的限制。DW&T技術(shù)不僅解決了曲面微電極制造的瓶頸問題，還通過可回收性設(shè)計(jì)大幅降低了應(yīng)用成本，為高性能表皮電子器件的規(guī)模化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

隨著數(shù)字健康需求的不斷增長(zhǎng)，這種技術(shù)有望成為推動(dòng)表皮電子器件走向?qū)嵱没⒁?guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。在不久的將來，我們或許能見證更多基于DW&T技術(shù)的高精度、可穿戴電子設(shè)備走進(jìn)日常生活，為健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互帶來革命性變化。