J. Mater. Chem. B | 可植入3D液晶弹性体基材
今天与大家分享一篇发表在Journal of materials chemistry B上的文章，标题是“可植入3D液晶弹性体基材”。本文的通讯作者为卢森堡大学物理与材料科学系的Jan P. F. Lagerwall 教授。
提升如神经接口和生物传感器等植入式电子设备的长期使用稳定性是一个严峻挑战。研究人员们已经开发了多种方法来制造植入式电子设备，但在微细加工技术、材料的耐用性以及植入物的化学降解等方面尚存问题。液晶弹性体（LCE）是一类具有液晶取向和橡胶弹性的形状记忆聚合物，可实现高达300-400%的响应形变，同时具备低弹性模量，引起了人们对软致动器的强烈兴趣。某些LCE可通过定向自组装编程材料的形变方式，从而实现在制造过程中处于扁平状态，在使用过程中可发生预设的3D形变。其次，液晶聚合物由于其良好的生物相容性，低透湿性和在恶劣环境条件下的高可靠性，已被证明是神经假体的基质选择之一。在此基础上，作者使用弯曲的向列LCE作为动态衬底制造电子产品，可变形为3D螺旋形状；研究了LCE在加速水解和氧化的体外模拟生理环境条件下的化学稳定性；还设计了一种用于器件封装的LCE旋涂工艺，通过数千次循环测试，评估了器件在拉伸和弯曲状态下在磷酸盐缓冲液中（PBS）的绝缘性能。
图1、基于LCE的3D植入式电子产品的制造过程示意图。（a）单体混合物。（b）编程和填充。（c）金属图案化。（d）LCE旋涂。（e）选择性接触金属。（f）3D卷曲。
图1展示了LCE电子器件的合成和制造过程。首先制备液晶单体（RM82），扩链分子（正丁胺，nBA）和光引发剂（I-369）的混合物（图1a）并填充到程序化单元格中（图1b）。该单元格由一对隔开的玻璃载玻片组成，每个载玻片涂有偶氮苯基染料，染料以一定的方式光取向，以控制填充到单元格中的LCE前体的分子取向。填充后，将单体混合物齐聚并随后进行光聚合。聚合后，打开玻璃单元格，取出LCE薄膜（即衬底）。在此基础上通过金属沉积和图案化在LCE衬底上制造薄膜电子器件（图1c），然后通过旋涂封装（图1d）和对封装层进行选择性蚀刻以暴露接口电极和连接器粘合板（图1e）。该设备可自发地转换为预设的3D形状（图1f）。
图2、在37°C下监测（a）0.1 M NaOH（mean±SD，n = 4）和（b）20% H2O2/0.1 M CoCl2（mean±SD，n = 4）中LCE和对照膜的质量变化。
为了测试LCE长期植入的可行性，作者首先评估了LCE在体外条件下加速的水解和氧化稳定性。使用0.1 M NaOH溶液作为加速水解介质，含有0.1M CoCl2的20%H2O2溶液用作加速氧化介质，两种条件下的样品在37°C下测试24天。在此期间，水解条件下（0.1 M NaOH）LCE薄膜的湿质量下降了0.43±0.18%（mean±SD，n = 4）（图2a），干燥质量减少了0.81±0.07%（mean±SD，n = 4），表明LCE薄膜在水解条件下有轻微降解。假设观察到的LCE水解稳定性来自该材料的液晶度和固有的疏水性，作者合成了两个对照网络并对其进行了相同的降解测试。在水解条件（0.1 M NaOH）下，两种对照网络的湿质量和干质量均比同一时期LCE明显下降（图2a），并且二者的质量损失没有显著差异。这些结果表明，LCE的液晶度对水解稳定性贡献不大，同时这些疏水性聚酯的水解相当缓慢。
在主链中含有叔胺的聚合物在体内容易受到氧化。在氧化条件下（0.1M CoCl2的20%H2O2溶液），LCE薄膜的湿质量增加了7.99±3.22%（mean±SD，n = 4）（图2b），质量的增加包含了质量损失和吸水。但干燥后质量比初始质量低9.48±5.54%（mean±SD，n = 4）。通过衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱进一步表征了这些干燥样品，并与未发生氧化降解的LCE进行了比较，观察到氧化LCE中分别存在羧酸和醇基团，可能是由于酯在氧化后水解使水进入。BPAEDA对照在氧化条件下的湿质量大幅降低了26.57±1.98%（mean±SD，n = 4），而TCMDA对照表现出与LCE相似的湿质量增加量（图2b）。干燥后，两个对照网络都被破坏，这表明与无定形对照相比，液晶度可能在LCE的相对氧化稳定性中起重要作用。
图3、（a）LCE旋涂工艺示意图。（b）旋涂LCE薄膜厚度与LCE浓度和转速的关系（mean±SD，n = 3）。旋涂LCE（c）在金迹线上（反射模式）和（d）在弯曲的向列LCE衬底上（透射模式）的POM照片。
对于电子产品的长期植入而言，将底层金属成分与导电体液隔离的设备封装至关重要。使用旋涂LCE作为封装材料应最小程度地改变底层衬底的形状变化，并与微细加工兼容，同时提供高阻隔性。本实验中旋涂工艺包括（1）制备溶解在甲苯中的液晶低聚物，（2）旋涂和（3）在氮气环境中进行紫外光固化（图3a）。通过改变LC低聚物浓度和转速，制备了1.5–6.8μm厚度范围内的旋涂LCE薄膜（图3b）。旋涂LCE在金迹线（图3c）和取向的LCE衬底（图3d）上均是多畴，表明它是机械无源的。
图4、在LCE衬底上以各种2D和3D形状制造的16通道多电极阵列的照片。（a）“平直状态”。插图是多通道金迹线。（b）“弯曲状态”。插图显示了金微电极的位置。（c）“波浪形”。底部插图是对应的POM照片。
在“扁平”（图4a）、“弯曲”（图4b）和“波浪形”LCE衬底（图4c）上制造多通道电极阵列。弯曲和波浪形衬底是通过对LCE薄膜的分子取向进行编程制备的，3D形状的形成是LCE自发发生的，三种形状的器件均具有16通道信号迹线（图4a）和外露的金微电极（图4b），模仿用于神经记录的微电极阵列。当在平行偏振片之间旋转弯曲和波浪状样品时，POM下观察到特征性的明暗图案（图4b和c），证实了在弯曲向列的2D LCE衬底上电子器件的成功制造。POM证实了由底层光敏染料的光取向实现的LCE可控分子取向。
图5、第1、34和67天（a）扁平和（b）弯曲LCE衬底上金微电极的代表性电化学阻抗谱图。（c）在67天内每天监测扁平和弯曲器件上金电极的1 kHz阻抗（mean±SEM，n = 15）。（d）在超过10000次循环拉伸（60 %应变）下监测弯曲器件上封闭（封装）金电极的漏电流和1 kHz阻抗（mean±SD，n = 32）。所有测量均在37°C的PBS中进行。
评估了LCE电子器件的电化学稳定性。将弯曲和扁平的器件浸泡在37°C的PBS中，并在67天内每天进行电化学阻抗（EIS）测量，器件均保持相对稳定的阻抗谱形状和幅度（图5a和b）。电极的动作电位具有以1 kHz为中心的特征频带。1 kHz处弯曲和扁平器件的初始阻抗幅度分别分别为124.3±20.7 kΩ（mean±SEM，n = 27）和79.9±25.9 kΩ（mean±SEM，n = 15）（图5c）。弯曲器件在1 kHz处的阻抗幅度平均为164.2±30.6 kΩ（mean±SEM，n = 27），测试过程中没有表现出显著差异（t检验，p = 0.28，n = 27）（图5c）。扁平器件在1 kHz处的阻抗幅度为147.5±21.4 kΩ（mean±SEM，n = 15），也不存在与初始值（图5c）的显著差异（t检验，p = 0.054，n = 15）。这表明旋涂LCE封装层可作为离子水溶液的有效屏障。
进一步评估了LCE电子设备在37°C的PBS中10000次循环机械拉伸（60%应变）下的稳定性。在前1000个循环期间，器件表现出1 kHz下的高阻抗（∼107 Ω），这是完全封装器件的典型特征。在1000到2000个拉伸周期之间，1 kHz阻抗（8.0×106 Ω→3.4×105 Ω）明显降低（图5d），这表明绝缘层中产生了泄漏点。在前3000个周期中观察到直流电流（2.0×10−8 A→9.1×10−6 A）显著增加（图5d）。然而在3000次循环后，阻抗和漏电流都保持在相对稳定的水平，直至10000次循环。
图6、（a）使用弯曲LCE电缆组装到连接器上的4通道神经袖口电极的照片。（b）在超过10000个循环拉伸或弯曲（60 %应变）下监测组装好的神经袖口装置的1 kHz阻抗（mean±SEM，n = 5拉伸，n = 3弯曲）。（c）组装好的神经袖口装置在0和10000次拉伸循环中的代表性电化学阻抗幅度和相位谱。所有测量均在37°C的PBS中进行。
能够可靠地将植入物连接到外部世界的互连电缆对于长期使用的神经接口至关重要，展示了利用三种形状的4通道LCE电子器件制造的耐变形互连电缆，并用市售的4通道神经袖口和连接器组装。神经袖口具有4个神经记录电极，这些电极涂有200 nm厚的氮化钛（TiN），形成适合刺激或记录的低阻抗电极。电缆在60%应变下进行10000次循环拉伸或弯曲，同时在37°C的PBS中浸泡。扁平电缆袖口在拉伸1个周期后出现故障，弯曲扁平电缆袖口在10000次循环中保持稳定的1 kHz阻抗水平，但其25%的电极通道出现故障。波浪形电缆袖口在10000次拉伸周期内保持稳定的1 kHz阻抗水平，但25%的通道也出现故障。弯曲电缆袖口拉伸时1 kHz处的阻抗为0.4±0.01 kΩ（mean±SEM，n = 5），弯曲时为0.4±0.02 kΩ（mean±SEM，n = 3）（图6b）。这些阻抗是TiN电极在此尺寸（表面积∼0.4 mm2）下的典型阻抗值，证实了LCE电缆、神经袖口和连接器之间的良好连接。在拉伸（t检验，p = 0.47，n = 5）或弯曲（t检验，p = 0.18，n = 3）状态下，初始值和最终值没有显著变化，并且EIS阻抗和相位谱在10000次拉伸循环中也没有明显变化（图6c）。表明在机械载荷循环下，器件的电化学完整性没有受到影响。
总的来说，作者证明了LCEs适合用作体内环境中使用的器件衬底和封装层。LCE的疏水和取向性使材料发生最小程度的水解和相对较少的氧化降解，并确定了中度氧化降解和机械诱导的老化机制。使用弯曲向列LCE作为形变衬底，展示了3D多通道电极阵列，在生理介质中可承受10000次60%的拉伸和弯曲循环应变。这种性能是传统材料难以实现的。
文字 丁聪
审核 叶曦翀
参考文献：DOI: 10.1039/D0TB00471E
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TB/D0TB00471E
