近些年來，微流控技術由于其低能耗、低樣品消耗率、高便捷性以及快速精確檢測等巨大優勢備受矚目。其中，柔性可穿戴微流控系統的開發和利用可以很好地兼容柔性電子傳感和生物標志物檢測等特點。而傳統的柔性電路一般采用剛性導體加工制作，這樣會導致在組件發生形變時，由于導體的斷裂和移位發生斷路和信號傳遞中斷等問題。隨著材料科學的發展，鎵基液態金屬（Liquid Metal，LM）作為一種液相導體，以其高流動性（常溫）、出色的導電導熱性能、無毒性等特點，被大量用于研究柔性電子以及微流控組件和系統的加工，被用于開發可穿戴傳感器、生物醫療傳感器以及瞬態電路等。

在以往的報道中，有很多方法被開發可以將LM按照預設路徑和圖案打印在柔性基底上從而形成柔性導電通路，應用于不同領域。最為常見的方法是液態金屬的直寫（direct-writing）技術，然而由于LM本身的高表面張力以及流變特性，往往需要對LM進行材料改性，混入其他的金屬顆粒如鐵、鎳等以改變其在基地上的附著性以及浸潤性。此外，將LM顆粒混入聚合物基底也是一種改變其流變特性的方法，但需要進行額外的燒結工藝用于破壞LM的氧化層，并克服LM顆粒之間的高接觸電阻。不幸的是，它也增加了損壞軟基板和LM圖案結構的潛在可能性。還有一些其他方法，比如對基底進行表面修飾，通過金屬濺射或者光刻掩膜等方式實現LM在基地上的選擇性浸潤和圖案化，盡管可以實現高分辨率的液態金屬柔性電路的加工，但是需要付出昂貴的時間和生產成本。

據麥姆斯咨詢報道，基于以上的研究背景，深圳大學閆昇課題組提出了一種快速、無需材料改性以及額外工藝的液態金屬柔性電子的加工工藝。該方法基于電浸潤制備的液態金屬印章，通過軟光刻技術將微通道制造和液態金屬填充集成到一個步驟中來快速制造柔性微流控電子器件。

圖1 通過軟光刻技術加工液態金屬柔性電路工藝流程

為了獲得所需的液態金屬印章，通過激光雕刻厚度為200μm的粘合片以獲得預設計的圖案，然后將其貼在覆蓋有一層銅膠帶的培養皿上，并將液態金屬滴在掩蔽的銅表面上，再加入NaOH（1.0mol/L）溶液以去除液態金屬表面的氧化層（Ga?O?）。接著，研究人員使用5V直流電壓（銅連接到陰極，NaOH溶液連接到陽極），由于外加電場驅動正離子和負離子向LM液滴的相應側移動，在導電表面上感應出相等且相反的表面電荷。此外，施加在雙電層內的切向電應力導致在液態金屬LM表面上施加剪切應力，在液態金屬液滴內產生流線，從而在Cu基底與LM的接觸線附近產生局部流動，在Cu上產生CuGa?前驅體膜。由于CuGa?表面的界面能小于Cu表面界面能，因此液滴表現出相似的定向運動，使得液態金屬在銅表面延展填充。

接著，研究人員在LM印章上澆筑可以固化的高分子彈性體（如PDMS，Ecoflex以及PVA水凝膠等），待其完全固化之后，揭膜，此時液態金屬從模具上部分轉移到柔性基地上，最后進行二次封裝就得到了設計好的柔性電路。其中，最為關鍵的是LM轉移過程，由于以下兩種原因的加持，使得液態金屬可以更加完整高效地被復制到柔性基底上。首先，這些可固化的高分子彈性體在液態固化的過程中，會與液態金屬表面氧化層之間部分形成氫鍵；此外，固化的彈性體表面會通過復制LM表面形成“凹槽”結構，這種表面結構使得固液兩相的等效接觸角變小，意味著獲得了更好的附著力。

圖2 液態金屬復制原理以及圖案化實例

接下來，為了評估這種方法加工的液態金屬柔性電路的性能，研究人員進行了一系列的測試，發現在承受各種形式的變形（360°的扭轉、接近180°的彎曲、250%的拉伸）條件下，這種柔性電路依然可以保持穩定的電學性能以及導通性。并且，與木刻或石刻印章類似，LM印章也可以用LM“墨水”重新填充，以進行重復和大規模使用。該方法理論上適用于任何可固化的彈性體，用于生成軟微流體電子器件。

圖3液態金屬電路的性能測試

基于所制備的LM微流控電路的優異性能，研究人員進一步展示了三種傳感器的開發：

（1）可視化熱至變色傳感器（Thermochromicvision sensor）：

利用LM良好的導熱導電性能以及流動性等特點，利用上述軟光刻技術加工了LM柔性傳感器，并在柔性基底混合入至少兩種熱致變色油墨顆粒。由于傳感器在發生各種形式的變形時，存在于柔性基底橢圓形空間結構內部的LM會流動，整個電路的電阻隨之發生相應變化，由于焦耳熱效應，傳感器自身溫度隨之變化，顏色也會相應轉換。這種傳感概念可以將形變量轉化為可視化的視覺信息，應用場景廣泛。

圖4熱致變色傳感器

（2）自供電柔性傳感器（Self-powered soft sensor）：

最近，一種新概念的摩擦納米發電機（triboelectric nanogenerators，TENG）正在開發中，它結合了接觸起電和靜電感應效應，通過各種機械刺激（如摩擦、振動、跳動和膨脹/收縮運動）產生電能。通過這種方法制作的柔性電路，由于LM在基體內部的空間結構以及在較大變形時具有高電導率，LM與襯底的負電性表面之間的接觸表面積更長使得自發電效果良好。這種傳感概念潛在可以應用場景廣泛，比如可穿戴傳感器通過人體動作轉化并儲存能量，不再需要額外配備電源組件。

圖5 自發電柔性傳感器

（3）柔性電化學葡萄糖檢測生物傳感器（Flexible electrochemical biosensor for glucosedetection）：

葡萄糖是最常見的生物標志物之一，其檢測技術在疾病診斷、健康監測、食品等領域具有重要意義。目前，大多數葡萄糖檢測方法需要許多耗時的步驟、試劑和樣品。基于電化學技術的生物傳感器與其他方法相比具有許多優勢，例如更好的準確性和可靠性。然而，在設計和制造可穿戴電化學生物傳感器時也存在一些挑戰，包括電極的機械靈活性以及可延展性。研究人員通過上述方法制作了一種基于液態金屬柔性電路的電化學傳感概念，可以在傳感器發生彎曲和扭轉大形變的情況下，依舊保持穩定的性能支持電化學測試信號的輸出。該傳感概念可以潛在的開發可穿戴血糖傳感器，實現血糖的持續監測，具有較好的開發前景。

圖6 柔性電化學葡萄糖檢測傳感

以上研究成果以“Construction of liquid metal-based softmicrofluidic sensors via soft lithography”為題，發表于Journal of Nanobiotechnology（IF=10.4，中科院工程1區TOP）。高等研究院聯合培養博士張揚為論文第一作者，深圳大學閆昇研究員和麥考瑞大學李明博士為通訊作者，深圳大學高等研究院為第一單位。該工作得到了哈爾濱工業大學（深圳）馬星教授的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1186/s12951-022-01471-0

審核編輯 ：李倩