【背景介绍】
可穿戴电子器件的蓬勃发展在个人保健、人体运动监测和人机交互等方面发挥着重要的作用。而在可穿戴电子领域中，利用电加热方式实现热能的可穿戴热疗贴在缓解慢性炎症、关节疼痛和改善血液循环等方面具有重要的实际应用价值。在个人舒适和安全性方面，能与皮肤共形、透气、加热均匀且稳定的可穿戴加热贴对个人舒适和安全性是非常重要的，特别是在伤口愈合过程中，其透明性能可以持续监测皮肤状况。然而，当前市面上加热贴使用的方法通常是通过电导线绕成蛇形或马蹄形结构进行加热，该方法在皮肤的变形下能保持稳定的电阻，但是存在加热温度不均匀现象，且局部和平均温度相差较大，容易烧伤皮肤。目前，研究者也利用金属纳米线或碳基材料制备可拉伸的透明电加热皮肤贴，此方法可解决加热均匀性问题，同时能实现很好的人体温度管理，然而在皮肤的拉伸和变形下，纳米线之间容易滑动，导致拉伸过程中，电阻变化较大，从而导致加热不均匀。
【成果简介】
为了解决上述问题，中科院苏州纳米所苏文明研究员和袁伟博士在前期嵌入式金属网格透明导电膜的基础上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 37048；Sci. Rep. 2017, 7, 13239；Adv. Electron. Mater. 2019, 5, 1800991），进一步开发了剥离和转移技术，实现了基于S型铜网格的可拉伸透明加热贴，同时联合北京航空航天大学的李宇航教授进行了建模理论模拟，实验数据和计算结果得到很好的匹配。该皮肤贴的优点在于：1、加热响应速度快、加热均匀性和稳定性好，经过1000次加热冷却循环后，加热性能基本保持不变；2、与皮肤共形，且在皮肤的拉伸变形下，具有优异的加热均匀性和稳定性；3、具有防水透气性能，且有高的透光率（82.5%），在温热理疗过程中可清楚地观察皮肤状态。本工作的加热贴在可穿戴电子的温热疗法和个人热管理方面具有重要的应用前景。相关工作以“Transparent Thermotherapeutic Skin Patch Based on Highly Conductive and Stretchable Copper Mesh Heater”为题发表在《Advanced Electronic Materials》上。
【基于铜网格的可拉伸透明加热贴的制备】
基于铜网格的可拉伸透明加热贴的制作方法如图1a所示，具体步骤如下：（1）通过混合式印刷和导电增强技术获得铜网格；（2）使用微粘膜，并结合网格剥离技术把可拉伸铜网格转移到微粘膜上；（3）把剥离的可拉伸铜网格转移到医用PU膜上（如图1b所示）；（4）在可拉伸铜网格另一面附上一层医用PU膜，使得铜网格夹于两层PU膜中间，形成三明治结构（如图1c所示）。获得的可拉伸透明加热贴具有高达82.5%的透光率（图d），方阻低至0.15Ω sq−1，同时也与皮肤共形、并在皮肤的变形下，可保持稳定且均匀的加热性能。
图1. (a)可拉伸透明加热贴的制作流程图;（b）SEM图;（c）铜网格夹于两片PU膜的截面图;（d）透光率；（e）贴于皮肤上的显微镜图像；（f）和（g）可拉伸透明加热贴贴于人体手臂上的红外图。
【加热和拉伸性能】
对可拉伸透明加热贴的加热和拉伸性能进行了系统地表征和研究，并理论计算与实验相结合，对其拉伸状态下的加热性能进行分析。随着驱动电压的提高，样品饱和温度和加热密度上升，且在0.7V驱动电压下，能在30秒内迅速达到120℃（图2a），具有加热响应速度快、精准控制温度和稳定性好等优点。同时在50%以下的拉伸强度下，可拉伸透明加热贴能保持稳定且均匀的加热性能，并随着拉伸强度的增加，饱和温度稍有下降，这主要是由于随着拉伸强度增大，加热面积变大，而加热功率不变，从而导致加热功率密度下降。
图2.（a）面积为1cm×2cm的可拉伸透明加热贴的加热曲线；（b）电压-功率密度曲线；（c）间隔0.2V驱动电压的阶梯加热曲线；（d）在0.2V、0.4V和0.6V驱动电压下的循环加热1000次曲线图。
图3. 可拉伸透明加热贴在拉伸状态下的加热性能：（a）不同拉伸下的光学和红外图片；（b）电阻随拉伸强度的变化曲线；（c）和（d）不同拉伸强度下的加热曲线；（e）理论计算拉伸强度；（f）不同拉伸强度下的理论计算与实验加热温度对比图。
【可拉伸透明加热贴的应用】
最后，制备的可拉伸透明加热贴用于老鼠表皮肿瘤治疗中。把加热贴贴于老鼠表皮肿瘤位置，并对其进行加热处理6分钟，再取下加热贴，观察并记录肿瘤的生长情况。实验结果显示：经过加热贴热处理的小鼠，其表皮肿瘤被杀死，并形成黑疤，再经过17天后，伤口完全愈合；而未经热处理的小鼠，经过17天生长之后，其表皮肿瘤是原来的13.5倍。
图4.可拉伸透明加热贴用于治疗老鼠肿瘤：（a）和（b）可拉伸透明加热贴贴于老鼠表皮肿瘤示意图和光学图；（c）加热处理6min后的表皮肿瘤；（d）经过加热贴热处理和无热处理的老鼠表皮肿瘤温度曲线；（e）、（f）和（g）经过加热贴热处理和无热处理的老鼠17天后的图片；（h）老鼠表皮肿瘤生长曲线；（i）老鼠重量变化曲线。
【总结】
研究者采用电镀、剥离和转移相结合的技术研制了一种基于蛇形铜网格的可拉伸透明加热贴。该可拉伸透明加热贴具有高的透光率（82.5%）和导电性（方阻0.15 Ω sq−1），并能精准控制温度；并实验与理论相结合，研究了不同驱动电压和拉伸强度下的加热性能和密度：对于1 cm × 2 cm的加热贴，在0.7 V工作电压下，加热温度可在30秒内达到120 °C；在50%的拉伸应变下，加热贴仍可保持加热均匀和稳定性。作为应用，基于蛇形铜金属网格的可拉伸透明皮肤贴成功应用于实验小鼠表皮肿瘤的治疗中，呈现了其在可穿戴电子的热疗和个人温度管理方面的巨大潜力。
中科院苏州纳米所陈小连博士和北京航空航天大学殷亚飞博士为本工作共同第一作者，通讯作者为中科院苏州纳米所袁伟博士，苏文明研究员和北京航空航天大学李宇航教授。本工作还得到苏州大学杨凯教授在小鼠肿瘤实验方面的大力支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202100611
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