【背景介紹】
可穿戴電子器件的蓬勃發展在個人保健、人體運動監測和人機交互等方面發揮著重要的作用。而在可穿戴電子領域中，利用電加熱管道實現熱能的可穿戴熱療貼在緩解慢性炎症、關節疼痛和改善血液迴圈等方面具有重要的實際應用價值。在個人舒適和安全性方面，能與皮膚共形、透氣、加熱均勻且穩定的可穿戴加熱貼對個人舒適和安全性是非常重要的，特別是在傷口癒合過程中，其透明效能可以持續監測皮膚狀況。然而，當前市面上加熱貼使用的方法通常是通過電導線繞成蛇形或馬蹄形結構進行加熱，該方法在皮膚的變形下能保持穩定的電阻，但是存在加熱溫度不均勻現象，且局部和平均溫度相差較大，容易燒傷皮膚。現時，研究者也利用金屬納米線或碳基資料製備可拉伸的透明電加熱皮膚貼，此方法可解决加熱均勻性問題，同時能實現很好的人體溫度管理，然而在皮膚的拉伸和變形下，納米線之間容易滑動，導致拉伸過程中，電阻變化較大，從而導致加熱不均勻。
【成果簡介】
為了解决上述問題，中科院蘇州納米所蘇文明研究員和袁偉博士在前期嵌入式金屬網格透明導電膜的基礎上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017，9，37048；Sci. Rep. 2017，7，13239；Adv. Electron. Mater. 2019，5，1800991），進一步開發了剝離和轉移科技，實現了基於S型銅網格的可拉伸透明加熱貼，同時聯合北京航空航太大學的李宇航教授進行了建模理論類比，實驗數據和計算結果得到很好的匹配。該皮膚貼的優點在於：1、加熱響應速度快、加熱均勻性和穩定性好，經過1000次加熱冷卻迴圈後，加熱效能基本保持不變；2、與皮膚共形，且在皮膚的拉伸變形下，具有優异的加熱均勻性和穩定性；3、具有防水透氣效能，且有高的透光率（82.5%），在溫熱理療過程中可清楚地觀察皮膚狀態。本工作的加熱貼在可穿戴電子的溫熱療法和個人熱管理方面具有重要的應用前景。相關工作以“Transparent Thermotherapeutic Skin Patch Based on Highly Conductive and Stretchable Copper Mesh Heater”為題發表在《Advanced Electronic Materials》上。
【基於銅網格的可拉伸透明加熱貼的製備】
基於銅網格的可拉伸透明加熱貼的製作方法如圖1a所示，具體步驟如下：（1）通過混合式印刷和導電增强科技獲得銅網格；（2）使用微粘膜，並結合網格剝離科技把可拉伸銅網格轉移到微粘膜上；（3）把剝離的可拉伸銅網格轉移到醫用PU膜上（如圖1b所示）；（4）在可拉伸銅網格另一面附上一層醫用PU膜，使得銅網格夾於兩層PU膜中間，形成三明治結構（如圖1c所示）。獲得的可拉伸透明加熱貼具有高達82.5%的透光率（圖d），方阻低至0.15Ωsq−1，同時也與皮膚共形、並在皮膚的變形下，可保持穩定且均勻的加熱效能。
圖1.（a）可拉伸透明加熱貼的製作流程圖；（b）SEM圖；（c）銅網格夾於兩片PU膜的截面圖；（d）透光率；（e）貼於皮膚上的顯微鏡影像；（f）和（g）可拉伸透明加熱貼貼於人體手臂上的紅外圖。
【加熱和拉伸效能】
對可拉伸透明加熱貼的加熱和拉伸效能進行了系統地表徵和研究，並理論計算與實驗相結合，對其拉伸狀態下的加熱效能進行分析。隨著驅動電壓的提高，樣品飽和溫度和加熱密度上升，且在0.7V驅動電壓下，能在30秒內迅速達到120℃（圖2a），具有加熱響應速度快、精准控制溫度和穩定性好等優點。同時在50%以下的拉伸强度下，可拉伸透明加熱貼能保持穩定且均勻的加熱效能，並隨著拉伸强度的新增，飽和溫度稍有下降，這主要是由於隨著拉伸强度增大，加熱面積變大，而加熱功率不變，從而導致加熱功率密度下降。
圖2.（a）面積為1cm×2cm的可拉伸透明加熱貼的加熱曲線；（b）電壓-功率密度曲線；（c）間隔0.2V驅動電壓的階梯加熱曲線；（d）在0.2V、0.4V和0.6V驅動電壓下的迴圈加熱1000次曲線圖。
圖3.可拉伸透明加熱貼在拉伸狀態下的加熱效能：（a）不同拉伸下的光學和紅外圖片；（b）電阻隨拉伸强度的變化曲線；（c）和（d）不同拉伸强度下的加熱曲線；（e）理論計算拉伸强度；（f）不同拉伸强度下的理論計算與實驗加熱溫度對比圖。
【可拉伸透明加熱貼的應用】
最後，製備的可拉伸透明加熱貼用於老鼠表皮腫瘤治療中。把加熱貼貼於老鼠表皮腫瘤位置，並對其進行加熱處理6分鐘，再取下加熱貼，觀察並記錄腫瘤的生長情况。實驗結果顯示：經過加熱貼熱處理的小鼠，其表皮腫瘤被殺死，並形成黑疤，再經過17天后，傷口完全癒合；而未經熱處理的小鼠，經過17天生長之後，其表皮腫瘤是原來的13.5倍。
圖4.可拉伸透明加熱貼用於治療老鼠腫瘤：（a）和（b）可拉伸透明加熱貼貼於老鼠表皮腫瘤示意圖和光學圖；（c）加熱處理6min後的表皮腫瘤；（d）經過加熱貼熱處理和無熱處理的老鼠表皮腫瘤溫度曲線；（e）、（f）和（g）經過加熱貼熱處理和無熱處理的老鼠17天后的圖片；（h）老鼠表皮腫瘤生長曲線；（i）老鼠重量變化曲線。
【總結】
研究者採用電鍍、剝離和轉移相結合的科技研製了一種基於蛇形銅網格的可拉伸透明加熱貼。該可拉伸透明加熱貼具有高的透光率（82.5%）和導電性（方阻0.15Ωsq−1），並能精准控制溫度；並實驗與理論相結合，研究了不同驅動電壓和拉伸强度下的加熱效能和密度：對於1 cm×2 cm的加熱貼，在0.7 V工作電壓下，加熱溫度可在30秒內達到120°C；在50%的拉伸應變下，加熱貼仍可保持加熱均勻和穩定性。作為應用，基於蛇形銅金屬網格的可拉伸透明皮膚貼成功應用於實驗小鼠表皮腫瘤的治療中，呈現了其在可穿戴電子的熱療和個人溫度管理方面的巨大潜力。
中科院蘇州納米所陳小連博士和北京航空航太大學殷亞飛博士為本工作共同第一作者，通訊作者為中科院蘇州納米所袁偉博士，蘇文明研究員和北京航空航太大學李宇航教授。本工作還得到蘇州大學楊凱教授在小鼠腫瘤實驗方面的大力支持。
原文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202100611
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