【摘要】 本研究受人体皮肤启发，通过相分离技术15秒制备超薄Janus结构可拉伸电极（JSS薄膜），集成高导电性（10⁶ S/m）、高拉伸性（260%）、生物相容性及多模态传感能力。成果发表于《Nano Energy》，适用于电子皮肤、可穿戴医疗及自供能柔性器件领域。

发表期刊：Nano Energy

期刊影响因子（IF）：16.8

关键词：电子皮肤、可拉伸电极、Janus结构、自组装、液态金属

生物领域研究：生物相容性测试（细胞增殖及毒性检测）、激光共聚焦显微镜（细胞死活染色）

DOI：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110712

 

01/背景介绍

本研究以人类皮肤为灵感，提出了一种快速形成的Janus结构可拉伸电极（JSS薄膜），旨在满足柔性和可拉伸电子器件的复杂应用需求。通过相分离技术，仅需15秒即可制备出兼具高拉伸性和高导电性的超薄JSS薄膜，其一面为绝缘且具高稳定性的TPU-MCC骨架，另一面为液态金属（LM）层，表面覆有Ga氧化膜以防进一步氧化并增强与纤维素的结合，从而避免LM泄漏。JSS薄膜表现出优异的电导率（10⁶ S/m）、高拉伸性（260%）、良好的耐久性及生物兼容性，并能在拉伸、折叠和旋转等多种状态下保持性能稳定。实验显示，JSS薄膜可实现多模态生理信号（EEG、ECG、EMG）检测、摩擦电能量采集及自供能传感，信号响应快速且无明显串扰，同时具备良好的热导性能和皮肤友好性。该材料有望推动可拉伸电极及柔性电子皮肤等领域的实际应用与产业化发展。

 

02/核心创新点

1. 结构创新：受人体皮肤梯度模量启发，构建Janus结构，实现绝缘层与导电层的协同，解决液态金属泄漏问题（MCC 与 LM 氧化层形成氢键）

2. 工艺创新：15s 快速相分离成膜，无需复杂设备，兼顾生产效率与绿色环保（材料可回收）

3. 性能集成：同时实现高拉伸性、类金属导电性、高透气性与生物相容性，突破传统可拉伸电极性能单一的局限

 

03/关键结果

图1 结构表征

图1主要展示了JSS薄膜的结构与制备过程。首先，通过相分离法一步完成JSS薄膜的三层自发结构形成，原材料为TPU、微晶纤维素（MCC）和室温液态金属（LM），三者在DMF中混合后，TPU和MCC溶解，LM则以分散态存在。在JSS薄膜的截面扫描电镜（SEM）图像中，可以清晰看到其梯度Janus结构：C和O元素均匀分布于整个膜体，而Ga和In元素（来自LM）则主要集中于薄膜底部，证明了LM层的存在。此外，LM表面包裹有超薄氧化膜，且氧化膜与MCC的羟基形成氢键，这种结构有效稳定了整体，并防止LM脱落。超声分散可使LM颗粒尺寸缩小至5微米以下，有助于薄膜的耐久性和后续转印。整体来看，MCC在TPU与LM之间的分布有助于复合结构的稳定，提升了JSS薄膜的机械和电化学性能。

图2 性能表征

图2主要展示了JSS薄膜在快速制备、自组装结构形成及性能方面的结果。首先，JSS薄膜可通过相分离法在仅15秒内完成三层Janus结构的自发形成，大幅提高了制备效率。在性能测试方面，JSS薄膜表现出优异的力学和电学稳定性：在拉伸、折叠和扭曲等多种变形状态下，其电阻几乎不变，LED灯亮度保持一致，显示出高度的应变不敏感性和稳定导电性。此外，与其他柔性导电材料相比，JSS薄膜拥有更高的伸长率（可达260%）和稳定性，适合用于柔性电子器件的长周期和复杂环境应用。

图3 生物相容性表征

图3主要展示了JSS薄膜的生物相容性和皮肤友好性。通过细胞毒性测试，JSS薄膜样品组的细胞存活率与空白对照组和商业TPU薄膜组相近，远高于用DMSO处理的负对照组，说明JSS薄膜对细胞无毒性，具有良好的生物安全性。激光共聚焦显微镜下的细胞形貌也进一步验证了这一结果。此外，JSS薄膜的水汽透过率（WVTR）较高，能够有效保持皮肤的透气性，降低闷热感和皮肤刺激。皮肤刺激实验结果显示，JSS薄膜在实际佩戴后未引发明显的皮肤红斑或不适，验证了其优异的皮肤兼容性。综合来看，JSS薄膜兼具低毒性、高透气性和优异皮肤适应性，适合用于可穿戴电子器件。

图4 应用表征

图4主要展示了JSS薄膜在多模态生理信号检测和自供能摩擦纳米发电机（TENG）应用中的性能。JSS薄膜可作为电极稳定采集脑电（EEG）、心电（ECG）、肌电（EMG）等信号，其信号质量与商用Ag/AgCl电极相当，且在舒适性和长期记录方面表现优异。此外，JSS薄膜的Janus结构使其一面导电、一面绝缘，可直接作为TENG器件，实现自供能的运动传感和机械能收集。在多通道阵列测试中，JSS薄膜能够快速响应不同位置的触压，且几乎无信号串扰，显示其在自供能传感器和能量收集领域的高适应性和扩展性。这些结果证明了JSS薄膜在柔性电子、生物界面和可持续设备开发中的广泛应用潜力。

 

04/总结与展望

该论文针对柔性电子皮肤应用中高性能可拉伸电极的需求与现有制备工艺兼具高导电性、拉伸性、稳定性与高效快速制备难以同时实现的研究空白，借鉴人体皮肤梯度结构原理，提出并采用水诱导相分离法15秒内制备出具有Janus结构的TPU-MCC/液态金属电极，不仅简化了工艺流程、降低能耗，还实现了电极在拉伸、折叠等多状态下电阻稳定、可回收且生物兼容，并在多模态生理信号及自供能传感器领域展示了优异性能，推动了柔性电子器件的实际应用发展。