3D打印可拉伸模块化集成微系统：基于无线充电钠离子微电池的汗液监测新策略

本研究针对柔性可穿戴电子设备中能源存储集成微系统的兼容性构建与拉伸鲁棒性难题，开发了全3D打印可拉伸模块化集成微系统。通过创新设计无粘结剂石墨烯基墨水，构建了包含无线接收线圈、水系钠离子微电池(ASMBs)和葡萄糖传感器的集成系统，其ASMBs展现出0.96 mAh cm-2的高面积容量和1500次循环稳定性，在50%拉伸应变下仍保持稳定工作。该研究为开发高度兼容的可定制集成微系统提供了新范式。

　　

随着健康监测需求的增长，柔性可穿戴电子设备面临能源存储系统的关键挑战——传统刚性电池难以满足皮肤贴合设备的机械性能要求，而现有微型储能器件(MEESDs)又存在模块兼容性差、拉伸性能不足等瓶颈。针对这一难题，中国科学院大连化学物理研究所的任志豪等研究团队在《National Science Review》发表创新成果，通过全3D打印技术构建了具有革命性意义的可拉伸模块化集成微系统。

研究团队采用三项关键技术：1)开发无粘结剂石墨烯基墨水实现多模块兼容性打印；2)设计"岛桥"结构结合液态金属连接实现50%拉伸稳定性；3)采用30 m NaTFA高浓度电解液匹配Na₂VTi(PO₄)₃@C(NVTP@C)电极的3.2V工作窗口。临床相关样本模拟采用人工汗液中的葡萄糖检测作为应用验证。

【All 3D-printing construction of the stretchable microsystem】

研究团队首先制备电化学剥离石墨烯(EG)作为基础材料，开发出可打印的EG墨水和NVTP/EG复合墨水。通过精确控制流变性能，实现了160μm分辨率的电极打印，构建了包含无线线圈、微电池和传感器的完整系统。模块间采用液态金属连接并封装于Ecoflex弹性体中，形成机械稳定的集成结构。

【Rheological properties and printability of EG-ink and NVTP/EG-ink】

材料表征显示EG纳米片(2-3μm×3nm)与NVTP@C颗粒(含V⁴⁺/V³⁺、Ti⁴⁺/Ti³⁺多氧化还原对)形成紧密复合结构。流变测试证实墨水具有剪切稀化和快速恢复特性，支持8层电极的线性容量增长(0.96 mAh cm^-2)。

【Electrochemical properties of the ASMBs】

分子动力学模拟揭示30 m NaTFA电解液中Na⁺溶剂化鞘含1.7个H₂O和3.4个TFA^-，显著减少自由水。匹配的ASMBs-8L+4L展现出1.24 mWh cm^-2的能量密度，-20°C仍保持178.9 μAh cm^-2容量。

【Integration and stretchability of the ASMBs】

通过"岛桥"结构设计，三并联ASMBs模块在50%应变下经1000次循环容量无衰减。有限元分析显示应变集中于Ecoflex连接部位(<135%)，PET基底几乎不受影响。

【Wireless charging integrated microsystem for glucose monitoring】

海胆状NiCo₂O₄(NCO)传感器实现0.1mM检测限和0.75s响应。集成系统在无线充电(34.6%效率)后驱动传感器工作，动态拉伸中保持性能稳定，红外热像显示最高温仅27.8°C。

该研究实现了三大突破：1)首创全3D打印多模块兼容集成方案；2)开发出目前性能最优的可拉伸水系钠离子微电池；3)建立从能量收集、存储到应用的完整闭环系统。这种"设计-打印-集成"的新范式，为个性化医疗电子设备开发提供了关键技术支撑，特别是其卓越的机械稳定性(50%拉伸)和低温工作性能(-20°C)，极大拓展了可穿戴设备在极端环境下的应用前景。研究展示的汗液葡萄糖实时监测能力，标志着柔性电子向实际临床应用迈出重要一步。