柔性电子器件

在柔性聚合物链之间加入动态非共价交联是实现高伸展性和自愈性的重要方法。动态键可以很容易地被打破，以允许应变时的能量耗散，从而使系统对应变和机械刺激的容忍度更高。此外，这些键可以被重建以恢复最初的机械性能和自我修复。在不同类型的动态键中，氢键由于其自发形成和愈合能力，特别适合于皮肤启发的电子学。

Fig 构建柔性导电高分子的片段

Fig. 实验中研究的一种柔性导电高分子的结构

Fig. 氢键模型示意图

选择2,6-吡啶二甲酰胺(PDCA)在柔性聚合物骨架内引入氢键，因为该单元包含两个酰胺基团，具有适度的氢键强度，允许形成聚合物网络，而不急剧增加材料的拉伸模量。以前的工作表明，在聚合物主干上引入一小部分非共轭单元不会明显降低电荷传输的流动。在这里，我们引入了烷基间隔物来提高动态分子的弹性。因此，我们合成了含有不同比例的非共轭PDCA分子的半导电聚合物(P1至P4；结构见图)。

经实验测定，该导电高分子(图中P3)在正常状态下具有良好的导电性。同时，其具有良好的弹性和延展性，即使应变高达100%，也没有产生微观上的裂缝。在较小程度的拉伸下，导电性没有明显的改变；而在较大程度的拉伸下，导电性有一定程度的下降。

同时，P3具有自修复能力。当对损坏的P3进行退火操作时，可以使得其愈合。

Fig. 拉伸

Fig. 自修复示意

此外，研究人员将他们制造的器件安装在人的四肢上，以测试器件对各种常见运动的耐受性，如手臂的折叠、手的扭曲和肘部的拉伸。在这些条件下，导电高分子的机械性能和导电性均保持良好。

Fig. 安装在人的四肢上

植入式和可穿戴式生物电子系统在生物医学应用中至关重要，包括用于疾病诊断的生理信号的多模态监测，用于治疗的神经或心脏活动的可编程调制，用于假肢的感觉运动功能的恢复，以及增强现实。然而，许多这些现有的设备在动态移动的组织环境中运行时，会出现性能下降，有时甚至失效。这主要是由于电子器件和生物系统之间的机械不匹配(例如，模量和伸展性)，这不可避免地导致界面分层、纤维化封装和/或逐渐的组织结疤。

为了在生物电极界面上保持有效的电信号交换，人们努力使刚性电子器件和无机材料顺应柔软的生物组织。同时，本质上可拉伸的有机电子正在迅速崛起，成为具有几个具体优势的候选者。首先，它们不会受到刚性材料的整体系统可伸展性和设备密度之间的固有权衡。因此，高分辨率的绘图和干预可以通过共形生物界面实现。其次，导电聚合物(CPs)的高体积电容可以减少电极-组织界面阻抗，特别是在生理相关的频率范围内(<10 kHz)，这允许高记录保真度和有效的刺激电荷注入。然而，现有的可拉伸CPs的导电性能太低，一旦它们被微加工成生物电子装置。因此，仍然需要刚性的金属互连，这大大削弱了软质CPs的优势。

研究人员描述了一个合理设计的拓扑超分子网络，以同时实现生物电子学的三个重要进展。这些进展是：(i)具有高导电性的生物相容性和可拉伸的CPs，(ii) 直接的光图案化，直至细胞级的特征尺寸，以及(iii) 在微加工后保持高拉伸性，在100%的应变下没有裂缝形成。

聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)是生物电子装置中性能最高和调查最多的CP。虽然离子和分子添加剂可以提高其导电性和伸展性，但在溶剂处理或浸泡在水性生物环境中后，现有的PEDOT:PSS薄膜的性能通常大幅下降，因为非交联添加剂被洗掉了。为了克服这些挑战，我们设计了一种基于聚轮烷(PR)结构的可交联的超分子添加剂。我们的关键假设是，将拓扑结构纳入分子设计中，可能会利用多个分子构件解耦竞争效应，以满足复杂的要求。我们选择mechanically interlocked structures，因为它们在移动连接处有很大的构象自由。因此，通过使用具有定制化学和拓扑结构的单一超分子交联剂，我们可以在一个CP系统中实现所有理想的特性。

他们引入了一种被称为TopoE的PR，其是由聚乙二醇(PEG)骨架和可滑动的环糊精(CDs)与PEG甲基丙烯酸酯(PEGMA)侧链功能化组成，以诱导高导电性、可伸展性和光图案性。