用水凝膠打印柔性電路 我國科學家首次實現水凝膠3D打印電子器件
【化工儀器網 項目成果】水凝膠能被水溶脹但不溶于水，是一種具有三維網絡結構的聚合物，它能夠感知到外界溫度、pH值、電磁等刺激的微小變化，并通過自身體積的溶脹或收縮對此進行響應。上世紀90年代，科學家通過將水凝膠與導電聚合物聚合交聯提升了水凝膠的導電性能，開發基于水凝膠的電子器件成為可能。
近年來，水凝膠成為人造皮膚、柔性和可植入生物電子學及組織工程的“寵兒”，與其他如骨折用鋼釘、種植牙、人工耳蝸等材料相比，基于水凝膠的電子器件具有良好的生物相容性、表面順應性和可伸展性，被認為是解決傳統電子器件質硬、免疫反應的最佳候選材料之一。
在生物電子學的相關應用里，所用的材料不僅需要有良好的生物相容性，還需要同時具備優異的機械性能和高導電性，這些特性是相關系統在承受巨大機械載荷下仍能保持正常信號傳輸、避免意外斷裂造成系統崩潰等問題的重要保證。
近日，西湖大學周南嘉、陶亮團隊開發了一種水凝膠支撐基質和一種銀-水凝膠復合導電墨水，將水凝膠電子器件中的金屬部分也變成了全水凝膠電極，在全球范圍首次通過3D打印制備出內外一體水凝膠電子器件，相關研究成果以“Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics”為題發表在《Nature Electronics》上。
水凝膠電子器件的組成包括基質部分和電路部分，在基質部分的材料設計方面，研究人員利用海藻酸鹽-聚丙烯酰胺雙網絡水凝膠的正交交聯機制開發了一種可固化的水凝膠基質。據了解，研究人員先將海藻酸鈣固化，再打碎成粒徑20微米左右的微凝膠顆粒，這些微凝膠顆粒中還包含了丙烯酰胺單體、交聯劑和自由基引發劑。隨后，研究人員以得到的微凝膠顆粒為材料，經3D打印成形后再加熱固化，最終得到電子器件的基質部分。
水凝膠電子器件的電路部分也主要由制備基質所得的微凝膠顆粒構成，研究人員將微凝膠顆粒與5微米大小的銀薄片以及甘油和水溶性聚合物混合，開發出一種導電油墨，這種油墨可通過嵌入式打印的方法，在電子器件中構建一個柔性電路，電流可以在其間自由流動。固化后的嵌入電路的水凝膠可以承受較大程度的拉伸和扭曲，一旦應力消除，又恢復到原來的形狀。
為驗證一體化水凝膠電子器件的可用性，研究人員將制備的全水凝膠電極通過簡單的手術纏繞在小鼠的坐骨神經上，在1Hz頻率的脈沖式電壓刺激下，該電極在低達100mV的電壓下順利引起了小鼠腿部的規律大角度運動。
與現有的水凝膠電子器件的制造方法相比，該研究提供了一個高精度、自動化、可設計的制造方法，可在個性化定制可植入電子器件領域發揮重要作用。
資料來源：西湖大學、科技日報、高分子科學前沿
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