首尔国立大学团队工作，奇材馆整理

【文章概述】

纳米材料在实际时间尺度上的溶解性为瞬态电子学开辟了一条新的途径。而瞬态电子学而也为生物集成设备提供了独特的功能，因为它们既可以用作可穿戴设备，也可以用作可植入设备。可生物降解的电子设备作为可降解的绿色设备，其成分可分解成无害的副产品，不会留下任何残留废物，也不需要进行拆除手术，因此也不会留下伤口。在生物集成电子应用中，可拉伸和灵活的外形对于与柔性、可拉伸皮肤、组织和器官进行保形集成是至关重要的。

【成果简介】

近日，首尔国立大学Ju-Young Kim研究员团队报道了一种可完全生物降解的MgZnCa金属玻璃（MG）薄膜，利用非晶相无晶态缺陷的优点，实现了本征可伸缩电极的高产率极限。并研究了这种非晶态合金在不同离子种类的水溶液中的电导率及其形态的不规则溶解行为。MgZnCa MG纳米薄膜表现出很高的弹性应变（纳米拉伸测试中约为2.6％），并提供了增强的延伸性（与蛇形几何结构相结合时约为115%）。由于弹性应变极限范围较宽，重复拉伸时的疲劳抗力也有所提高。使用MgZnCa MG电极的电子元件（包括电容器、电感、二极管和晶体管）可与瞬态电子器件集成。可生物降解的MgZnCa-MG摩擦纳米发电机还能够稳定运行5万次以上，并验证了其在机械能量采集中的抗疲劳应用。最后，体外细胞毒性和体内炎症实验表明，该材料具有良好的生物相容性。该材料符合奇材馆理念，后续开发值得期待!

 【图文导读】

图1显示了可生物降解的Mg67Zn28Ca5 MG在电子级薄膜中的原子结构、电学性质和溶解行为。X射线光电子能谱（XPS）显示了不同深度的Mg、Zn、Ca的相对含量和结合能分布（图1a）。

图1d显示了传感器的红外（IR）热成像图，显示了PTC热敏电阻工作30s后的空间温度分布，表明该制备方法是成功的。O表现出比Zn更高的强度。Mg和Ca形成了自然氧化层，因此由于暴露在周围大气中的氧气和湿气，导致最外表面的Zn立即耗尽，但内部MgZnCa MG膜的基体中仍有纯Zn。透射电子显微镜（TEM）图像及其快速傅立叶变换过滤的电子衍射图样如图1b所示，显示了沉积薄膜的非晶态性质。

图1c显示了在长度从7.5 mm到25.5 mm（宽度和厚度分别为1.5 mm和200 nm）的Si/SiO2薄膜上形成的MgZnCa MG的电阻变化。各元素溶解动力学的不同导致非晶态合金的溶解行为不均匀，例如，由于In、Ga和ZnO在水溶液中的溶解速率不同，非晶态In-Ga-Zn氧化物表现出不均匀的形貌变化。MgZnCa-MG的不均匀溶解导致了电阻变化的转变（图1d）。

如图1e-g所示，17分钟后，表面大量的Mg和Ca通过反应形成氧化物（MgO和CaO）和氢氧化物。由于Zn被耗尽，最初几乎没有Zn存在于表面（0分钟），但在Mg和Ca的顶部自然氧化层溶解后17分钟观察到大量的表面Zn和Zn(OH)2（图1f）。XPS结果表明，在第一次电阻转变过程中，17min后，大量的Mg和Ca转变为不导电的金属氧化物或氢氧化物，但由于剩余的Zn而保持了一定程度的导电性。

图1：Mg67Zn28Ca5 MG的溶解化学和电性能。

a)不同深度（黑色，表面；红色，108 nm；蓝色，216 nm）MgZnCa MG的原子组成。

b) 表面图像和衍射图(插图)。

c)厚度200 nm，宽度1.5 mm，长度7.5~22.5 mm的MgZnCa MG的两点电阻。

d) 在37℃下，MG在PBS（pH 7.4）、BS（pH 9.0）和去离子水（pH 7.0）中的不均匀溶解导致过渡电阻的变化。蛇型图案的的厚度为300 nm，宽度为1.5 mm，长度为82.5 mm。插图为大图，时间尺度为0到1 h。

e-h)在37℃的PBS中，通过Mg 1S、Zn 2p、Ca 2p和P 2p在三个溶解期（黑色，0min；红色，17min；蓝色，180min）的结合能反映表面化学的变化。

I)  MgZnCa MG在PBS中的溶解过程示意图（左；0min，下；17min，右；180min）。

图2：溶液中的离子种类和溶解化学。

图3：Mg67Zn28Ca5 MG的单轴拉伸和疲劳行为。

图4：Mg67Zn28Ca5 MG的电子集成。

图5：Mg67Zn28Ca5 MG的体内外生物相容性。

【奇材馆点评】

与可生物降解的结晶金属相比，本文所报道的可生物降解的MgZnCa MG纳米膜可大大提高拉伸性和抗疲劳性，并具有高屈服应变和伸长率。并且该材料与其他可生物降解电子材料的集成化，在可拉伸瞬态设备中提供了广泛的应用。抗疲劳性的实验结果表明，这种纳米级MG在机械能收集方面具有广阔的应用前景。最后，MgZnCa MG的生物相容性证实了其在生物医学应用（如可拉伸传感器和能源）中的可能性。

 【论文信息】