近日，華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院林容周教授課題組聯(lián)合新加坡、美國高校科研人員，提出了一種新的軟電子制造方法——粒子吞噬打印。該方法克服了相關(guān)領(lǐng)域的傳統(tǒng)難題，有望推動開發(fā)高度集成的柔性生物電子器件，可廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測、人機交互、增強現(xiàn)實等重要領(lǐng)域。

研究成果以“Soft Electronics Based On Particle Engulfment Printing”為題，于1月2日發(fā)表在《自然·電子》（Nature Electronics）上。林容周教授為共同通訊作者和第一作者，新加坡國立大學(xué)John Ho教授、美國萊斯大學(xué)Yong Lin Kong教授為共同通訊作者。

傳統(tǒng)剛性電子器件與生物組織在機械性能上存在顯著差異。相比之下，軟電子器件則具備優(yōu)異的可拉伸性和柔韌性，能夠與生物組織良好兼容，應(yīng)用于醫(yī)療健康、人機交互等領(lǐng)域。因此，如何制造具有類組織機械特性的系統(tǒng)級軟電子器件，成為柔性電子領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的相關(guān)制造技術(shù)通常依賴于將功能性顆粒膠體分散在液態(tài)單體或聚合物溶液中，然后通過化學(xué)或物理方法將其轉(zhuǎn)化為軟復(fù)合材料。這種方法受到化學(xué)非正交性的影響，同時需要對復(fù)雜的流體動力學(xué)進行精確控制，導(dǎo)致器件的功能集成度和性能受限。

針對上述難題，研究團隊提出了一種基于粒子吞噬效應(yīng)的軟電子制造新方法。粒子吞噬效應(yīng)是軟物質(zhì)對顆粒的吸附、包覆和吞噬行為，這一機理與生物組織機理類似，猶如生物細胞通過內(nèi)吞作用，將營養(yǎng)物質(zhì)、顆粒或液體吞入細胞內(nèi)部。團隊研究發(fā)現(xiàn)，當功能顆粒的特征尺寸遠小于聚合物基底的彈性毛細長度時，在表面能的驅(qū)動下，顆粒會被聚合物基底自發(fā)吞噬并深嵌其中，形成能量穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控顆粒和聚合物之間的接觸條件，可進一步提升顆粒的嵌入深度與均勻性。

該方法依賴于表面能的作用，無需額外添加外力或化學(xué)處理。與傳統(tǒng)方法相比，顯著簡化了工藝復(fù)雜度，并且能夠在聚合物中精確嵌入多種功能材料，制造具有更高功能集成度和性能的軟電子器件。這一效應(yīng)適用于多種類組織機械特性的聚合物與多種功能微納米材料，為多材料集成提供了新的技術(shù)路徑。

研究團隊利用粒子吞噬打印法，在完全固化的A4尺寸彈性體上，成功實現(xiàn)了碳納米管和銀微粒等功能材料圖案化，制備了具有應(yīng)變傳感能力的可拉伸導(dǎo)體和復(fù)合傳感器。這些器件表現(xiàn)出卓越的機械性能，能夠抵抗多方向的重復(fù)扭曲和拉伸，并實現(xiàn)與復(fù)雜曲面的共形。

在空間精度方面，粒子吞噬打印同樣展現(xiàn)出良好性能，其分辨率主要由掩模的特征尺寸決定，最低可達100微米。

粒子吞噬在研究中展現(xiàn)出卓越的打印性能

通過在彈性基底上打印應(yīng)變傳感器、天線及互連導(dǎo)線，并焊接電源管理與無線通信組件，研究團隊成功制造了三種無線無源軟電子設(shè)備。這些設(shè)備能夠貼附于手指、手腕及手肘等關(guān)節(jié)部位，能夠?qū)崟r對姿態(tài)進行跟蹤，可用于人體運動監(jiān)測和人機交互。

研究展示了其在制造多層、多材料復(fù)雜軟電子器件方面的巨大潛力，不僅推動了軟電子器件的高性能化和多功能化發(fā)展，也為柔性電子領(lǐng)域開辟了新的研究方向和技術(shù)路徑。未來，粒子吞噬打印有望進一步整合活性材料，如半導(dǎo)體傳感器、發(fā)光納米材料、生物反應(yīng)性聚合物等，開發(fā)高度集成的柔性生物電子器件。

林容周本科、碩士均畢業(yè)于華南理工大學(xué)機械工程專業(yè)，現(xiàn)任學(xué)校機械與汽車工程學(xué)院、廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點實驗室教授，主要研究方向為無線柔性電子設(shè)計制造，其研究致力于為醫(yī)療健康、人機交互、智能制造等領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新手段。