凝固浴輔助3D打印具有高分辨率和強(qiáng)生物電子器件基板附著力的PEDOT:PSS

供稿人：姚思琦、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實驗室


近年來，由于PEDOT:PSS高度的生物相容性和優(yōu)良導(dǎo)電性，它被廣泛應(yīng)用于儲能、柔性電子、以及最近的生物電子等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印成本低，在制造過程中需要最少的人工干預(yù)，然而目前報道的可3D打印PEDOT:PSS方案較少。基于此，西湖大學(xué)周南嘉博士團(tuán)隊報道了一種不使用有機(jī)溶劑，在室溫下用凝固浴輔助直寫成型（DIW）技術(shù)制備PEDOT:PSS，并描述了一種簡單的后處理方法，使其在各種基底上具有強(qiáng)附著力。

研究人員探索出一種適用于PEDOT:PSS的高分辨率3D打印方法，將濃縮的PEDOT:PSS液體油墨通過DIW噴嘴擠壓，當(dāng)打印到十二烷基苯磺酸(DBSA)凝固浴時，立即凝結(jié)成自支撐的凝膠。 為實現(xiàn)最佳打印方式，凝固浴中DBSA的濃度和PEDOT:PSS的濃度是兩個顯著的變量，可打印PEDOT:PSS油墨濃度需超過3%，10%濃度的DBSA凝固浴適合圖案印刷。 打印速度和噴嘴壓力是影響合成水凝膠絲性能的兩個主要因素，在直徑為100μm的固定噴嘴下，研究人員測試了印刷速度和壓力對擠出長絲直徑的影響。

圖1 凝固浴輔助3D打印工藝參數(shù)研究

研究人員為驗證基于凝固浴打印的PEDOT:PSS作為生物兼容電子器件的基本屬性，分別研究了機(jī)械彎曲對打印的PEDOT:PSS電性能的影響、測試其電化學(xué)性能及其在生理條件下的長期穩(wěn)定性以及通過30×5mm矩形試樣的拉伸試驗表征PEDOT:PSS水凝膠的力學(xué)性能。結(jié)果表明打印PEDOT：PSS的優(yōu)越柔軟性和高導(dǎo)電性可能在生物電子設(shè)備和植入物中具有巨大的潛力，特別是在神經(jīng)調(diào)節(jié)治療中。

圖2 凝固浴輔助直寫成型技術(shù)亮點(diǎn)及應(yīng)用

進(jìn)一步的，研究人員選擇改變凝固浴的組成成分，以提高PEDOT:PSS水凝膠的力學(xué)性能，并通過簡單的基材處理和后處理，實現(xiàn)了PEDOT:PSS對多種基材的強(qiáng)附著力。最后打印了一個皮質(zhì)級神經(jīng)接口，使用打印的PEDOT:PSS電極陣列進(jìn)行全程監(jiān)測，接口在植入三個月后仍然完好無損，這表明電極陣列在生理環(huán)境中經(jīng)歷了最小程度的退化，證明了神經(jīng)界面的長期穩(wěn)定性。

這種基于凝固浴的DIW技術(shù)為高分辨率、多材料柔性電子和生物電子的快速創(chuàng)新開辟了大量的新途徑。此外，在水條件下對多種基材的強(qiáng)附著力使多功能生物電子器件的多材料制造成為可能。
參考文獻(xiàn)：

    鄭毅，王毅，張飛，等。 凝固浴輔助 3D 打印 PEDOT:PSS 的高分辨率和強(qiáng)基板附著力用于生物電子器件 [J]. 先進(jìn)材料技術(shù)，2022。