麦吉尔大学李剑宇课题组，最新Science子刊：纳米线粘塑性复合材料实现应变增强导电与可再加工生物电子界面

生物电子界面需与柔软、持续运动并不断重塑的生物组织形成紧密稳定接触，软导体因此要同时具备高电导、机械顺应性和界面应力最小化能力，并满足可再加工、可重复使用的可持续设计需求。 现有结构工程、本征软导体和液态金属导体分别受制于微加工复杂、电阻随应变变化或溶剂蒸发、封装泄漏和表面氧化等问题；更关键的是，多数设计依赖弹性或粘弹性基体，粘附组织时会储存机械能、积累界面应力并约束组织运动，甚至导致接触失稳和机械失效。

麦吉尔大学李剑宇课题组发现纳米线粘塑性复合材料将银纳米线与动态交联的短链聚硼硅氧烷基体结合，产生新奇的机电行为：粘塑性基体允许形变诱导纳米线重组，获得高电导并随应变增强，同时带来快速应力松弛、可控屈服和塑性贴合，使材料与生物组织形成无应力、机械适配接触。该材料可自愈合、可重构、可溶剂加工回收，能在猪、鼠和人皮肤上稳定粘附、适应毛发再生，并具细胞相容性和抗菌功能；作为干电极具有低阻抗，可通过高分辨率表面肌电信号解析人咽喉部肌肉疲劳。相关论文以“Mechanoadaptive nanowire viscoplastic composites with strain-enhanced conductivity for reprocessable bioelectronic interfaces”为题，发表在Science Advances上。

方法上，VPC以PBS为粘塑性基体、AgNW为导电填料；PBS由短链羟基端PDMS与过量硼酸在200℃反应，抑制永久链间交联并引入动态硼氧烷和硼酸酯，再引入乙二醇增强动态键交换，使材料可溶于异丙醇，便于AgNW均匀分散、模塑和溶剂回收（图1A、图1B）。SEM显示AgNW在PBS中均匀嵌入并形成连续渗流通路（图1D）；电导随AgNW含量急剧上升，在低于5 vol%时超过10^4 S/m，渗流阈值约3.74 vol%，临界指数约0.64，反映均匀分散和高长径比带来的陡峭电导起始（图1E）。与多种已报道软导体比较，VPC在较低填料体积分数下实现高电导，并同时具备粘塑性机电行为（图1F）；材料还可模塑成多种几何形状（图1C）。

图1. VPC的设计与电导。

为验证电学稳定性，研究将VPC模板印刷为蛇形电路并反复折叠、拉伸，LED亮度保持不变，说明电导和电流不随形变改变（图2A）。矩形样品在约100%伸长率内电阻几乎不变，而AgNW填充PDMS弹性体电阻显著增加并超过R/R0=λ2几何缩放预测；VPC中粘塑性基体最小化内应力积累并保持导电通路（图2B）。不同AgNW浓度VPC同样显示应变不敏感电阻，计入拉伸几何变薄后本征电导实际随应变增加（图2C）。SEM和二维取向分析表明，未变形时AgNW随机取向，100%应变时纳米线沿加载方向排列，说明应变诱导重组增强渗流通路（图2D、图2E）。VPC还经受1000次反复折叠和展开而电阻稳定，商业银浆在最初100次循环内即明显退化（图2F）；同一试样重塑100次电阻恒定（图2G），多次重塑后在60%拉伸下绝对电阻和应变无关行为仍一致（图2H）。结论是基体粘塑性与纳米线渗流协同实现应变不敏感、重塑耐受的电导。

图2. VPC的电导在应变和再加工下稳定。

力学与粘附方法包括拉伸、压缩、蠕变-恢复、流变和搭接剪切测试。拉伸曲线呈线性、屈服和软化三阶段，屈服临界拉伸约1.3且几乎不随AgNW浓度变化，弹性模量从约25 kPa增至8.4% AgNW时约150 kPa，拉伸性从约2提高到约4，说明AgNW同时提高刚度、强度和拉伸性（图3A、图3B）。加载速率从0.2% s-1到20% s-1时，材料由液体样流动转为模量达300 kPa的弹性响应，体现动态硼酸酯交换控制的粘塑性（图3C、图3D）。压缩应力松弛特征时间约0.33 s、残余应力近零，而PDMS约100 s并保留超过80%峰值应力（图3E）；蠕变-恢复中VPC保留近100%塑性应变，7天不恢复（图3F、图3G）。流变温度扫描显示约50℃弹性-粘性转变和约120℃tan(δ)峰，支持动态硼键是粘塑性分子起源（图3H）。搭接剪切中VPC对猪皮粘附能显著高于永久交联PDMS（图3I、图3J），同一试样经重塑刷新表面后至少20次连续循环粘附性能稳定（图3L；图3K为测试示意）；切割后约24小时界面几乎不可区分且电导恢复，5次溶剂回收循环后约70%材料回收且性能相当。结论是VPC兼具可调粘塑性、快速松弛、塑性贴合、可再生粘附、自愈合和可回收性。

图3. VPC的力学和粘附性能。

生物相容性与抗菌方法包括细胞培养、自由活动大鼠背部皮肤7天粘附和组织学、革兰阴性大肠杆菌与革兰阳性粪肠球菌培养。人声带成纤维细胞在VPC条件培养基中24小时后保持约95%活力，20和40 mg/ml与对照无显著差异（图4A）。大鼠模型中VPC紧密贴合皮肤并保持粘附7天，毛发直接穿过VPC生长而不破坏粘附（图4B）；组织形态各组可比，炎症评分很低且无明显免疫反应（图4C-E）。细菌实验中VPC表面多数细菌死亡，活菌显著少于PBS基体对照，验证AgNW固有抗菌作用（图4F-G）。结论是VPC具良好细胞相容性、长期皮肤适配性和抗菌功能。

图4. 生物相容性和抗菌功能。

皮肤电极方法包括前臂阻抗-频率测试、颈部多电极sEMG记录和声带负荷任务。VPC电极整体阻抗较低，Rs为162 Ω、R1为38,778 Ω、R2为80,082 Ω，作为干电极接近3M Ag/AgCl凝胶电极，并优于商业Ag/AgCl金属干电极的界面电阻（图5A）。六个小型VPC电极置于舌骨上、舌骨下和胸锁乳突肌，参考电极置于锁骨（图5B）；其可定制小尺寸适合高密度表面记录以减少肌肉串扰（图5C）。时域信号与商业电极相当，噪声低且稳定（图5D）；常态和挤压发声条件下VPC可靠捕获差异（图5E），挤压发声时RMS振幅增加，舌骨上区域略高（图5F）。受试者连续大声朗读>75 dB 15分钟完成VLT（图5G），感知疲劳评分随阶段增加（图5H）；VPC持续记录高质量sEMG，MDF随声带负荷增加而一致下降，各肌群均见该趋势，舌骨下区域较低（图5I）。结论是VPC作为无应力贴合干电极可实现低阻抗、稳定高分辨率sEMG，并检测人咽喉部肌肉疲劳。

图5. 用于sEMG测量的VPC基皮肤电极。

最后，VPC通过动态粘塑性基体与AgNW整合，克服力学、电子学和可持续性之间的关键权衡：粘塑性赋予速率和应变相关塑性，实现与生物组织贴合、无应力整合，并允许重塑、再加工和回收而不损失性能。该工作聚焦皮肤界面导电电极，优化的粘塑性实现自适应贴合、界面应力松弛、重塑和形变下稳定电性能，为传统弹性或超弹性系统提供补充设计策略；系统表征和理论建模建立设计原则，生物相容性、皮肤安装生物电子学和高保真sEMG验证材料潜力。与商业电极相比，VPC对细微生物信号更灵敏，例如实时检测人咽喉部肌肉疲劳；未来可引入生物粘附化学增强组织整合、扩展到高密度传感器阵列，并部署于临床诊断和康复，为可穿戴电子、移动健康监测和软人机交互开辟新可能。