柔性可拉伸电子器件，作为可穿戴及可植入设备在医疗健康领域有着广泛的应用。区别于传统的刚性电子器件，柔性可拉伸电子器件具备与大脑、皮肤等人体器官软组织相近的机械性能，以保证器件能够在人体活动过程中与器官表面保持共性接触。丝蛋白作为一种生物材料具有优异的生物相容性及可降解性，是构筑可穿戴及可植入电子器件的理想材质。但是，丝蛋白其初始高模量（5–12 GPa）及低可拉伸率（<20%）与人体皮肤模量（0.1–2 MPa）和可拉伸率（30–70%）存在较大差距，这限制了其在柔性电子皮肤领域的应用。
近日，新加坡科技研究局（A*STAR）Yuan Cheng和南洋理工大学（NTU）陈晓东（Xiaodong Chen）教授等研究者通过引入CaCl2和水合作用成功实现丝蛋白的塑化，模量降低至0.1–2 MPa、可拉伸率显著提升至>400%。以该塑化丝蛋白为基底表面蒸镀金属膜，简便地构筑了表面皱纹图案化的可拉伸电子器件。该器件具有堪比商业化凝胶电极的电生理学应用性能、优异的皮肤共形性以及柔韧性（可拉伸率>100%）。此外，研究者还对丝蛋白的塑化机理进行了详细的分子动力学模拟。相关论文发表在Advanced Materials 上，第一作者为NTU的Geng Chen。
塑化丝蛋白性能调控及其电子皮肤应用示意图。图片来源：Adv. Mater.
研究人员在丝蛋白纤维中引入CaCl2进行塑化改性，在50%湿度氛围下丝蛋白模量随CaCl2添加量的增加而显著降低。当CaCl2含量达到30%时，丝蛋白体系中含水率提高至14.6 wt%，模量降低至1.66 MPa，可拉伸率由低于20%提升至至少400%。同时，当恒定体系中CaCl2含量时，丝蛋白的模量和性能也可通过调节环境湿度进行精细调控。湿度由43%提高到85%，丝蛋白模量由412.67 MPa降低至0.15 MPa。同时，对丝蛋白塑化机理分子动力学模拟表明：水分的引入显著降低了丝蛋白微晶的强度，在降低丝蛋白模量方面起主要作用。同时，Ca2+ 离子和水分对β-折叠、无规线团、螺旋线等非晶域的组份构成产生一定影响，从而影响材料模量和柔韧性。
丝蛋白的塑化机理分子动力学模拟。图片来源：Adv. Mater.
进一步通过丝蛋白膜（模量0.4–2 MPa，CaCl2含量15 wt%）表面蒸镀导电金属，能够简便构筑柔性电子皮肤器件。构筑器件基于实验室高湿度环境氛围（60-70%）下的水合作用，材料表面失稳形成皱纹形貌，从而进一步赋予器件优异的可拉伸性能。器件能够承受＞100%的拉伸形变，40%拉伸形变测试器件的电阻变化（R/R0）≈2.45，起始薄层电阻为7 Ω sq–1，性能远高于对应聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基底的柔性电极。
丝蛋白基电子皮肤的可拉伸性能测试。图片来源：Adv. Mater.
在实际的肌电图（EMG）信号检测应用中，该生物基柔性电子器件与皮肤具有优异的共形性，同时具备与商业化凝胶电极相当的功能及性能。此外，丝蛋白基电子皮肤在穿戴4 h后相比于凝胶电极展现出较低的界面阻抗，对皮肤刺激性较小。
丝蛋白基电子皮肤实际应用测试。图片来源：Adv. Mater.
总结
该论文通过CaCl2和水组分的引入，简便实现了丝蛋白的塑化改性，拓展了其在柔性电子皮肤器件方面的应用。该塑化丝蛋白材料与人体皮肤相当的模量、优异的柔韧性及生物相容性使其在电子皮肤器件的实际应用中展现出卓越的电性能、检测灵敏性及性能稳定性。该材质电极能够集成到传感器、晶体管等电子器件中，进一步拓展其应用。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Plasticizing Silk Protein for On-Skin Stretchable Electrodes
Adv. Mater., 2018, 30, 1800129, DOI: 10.1002/adma.201800129
导师介绍
陈晓东
http://www.x-mol.com/university/faculty/45891
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