西湖大學(xué)首次實(shí)現(xiàn)水凝膠電子器件3D打印制備

來源：科技日?qǐng)?bào)


植入生命體的電子器件,，可以是柔軟而有溫度的,。記者從西湖大學(xué)工學(xué)院獲悉,，該院特聘研究員周南嘉團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種水凝膠支撐基質(zhì)和一種銀—水凝膠復(fù)合導(dǎo)電墨水,，在國際上首次通過3D打印制備出封裝內(nèi)部電路的一體化水凝膠電子器件,。相關(guān)研究成果12月20日發(fā)表在國際期刊《自然·電子學(xué)》上,。

“外來”的材料會(huì)被人體識(shí)別,，產(chǎn)生一定的排異反應(yīng)，比如治療骨折用的鋼釘,、種植用的牙齒,，乃至材質(zhì)柔軟的人工耳蝸。面對(duì)電子器件進(jìn)入身體后的“尷尬”,，水凝膠被科學(xué)家寄予厚望,，因?yàn)樗�同時(shí)具備柔韌性和良好的生物兼容性。

“水凝膠無處不在,，比如隱形眼鏡,、小朋友玩的水晶泥,。”周南嘉介紹,，傳統(tǒng)的水凝膠電子器件,，就是用水凝膠把電路“包裹封裝”起來，在核心的電路部分,，仍然是堅(jiān)硬的金屬,。

團(tuán)隊(duì)此次研究的突破點(diǎn)在于，把水凝膠電子器件中的金屬部分也“統(tǒng)一”成水凝膠的狀態(tài),。

團(tuán)隊(duì)首先在材料的設(shè)計(jì)方法上尋找突破,，找到了海藻酸鈣—聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠并加以改造。據(jù)了解,，將海藻酸鈣和聚丙烯酰胺合成一整塊水凝膠的方法,，雖然常見但缺少靈活性。他們把這兩種水凝膠的固化分成了兩個(gè)獨(dú)立步驟——先固化海藻酸鈣,，然后再“打碎”細(xì)化成為微凝膠微顆粒,。

如此一來，這種凝膠顆粒中除了海藻酸鈣,，還包含了丙烯酰胺單體,、交聯(lián)劑和自由基引發(fā)劑，粒徑在20微米左右,，可以作為3D打印的“支撐基質(zhì)”,。打印完成后，可再通過加熱引發(fā)聚丙烯酰胺的固化,，讓電子器件最終定型,。

微凝膠顆粒是流體狀態(tài)的，可以作為打印電子器件的“基質(zhì)”,，那能否通過改造,，讓這種微凝膠顆粒可以導(dǎo)電,，用來打印電子器件的電路部分,？經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，研究人員找到了突破點(diǎn)——將微凝膠顆粒與少量微米銀片以及添加劑混合,，制成導(dǎo)電墨水材料,。這種導(dǎo)電水凝膠墨水可以通過嵌入式打印的方法，在微凝膠顆粒的基質(zhì)中自由構(gòu)建具有三維結(jié)構(gòu)的柔性電路,。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)制備了可用于提供電刺激的全水凝膠電極,，這種電極能通過簡(jiǎn)單的手術(shù)纏繞在小鼠的坐骨神經(jīng)上,。在1Hz頻率的脈沖式電壓刺激下,，3D打印電極可在低達(dá)100mV的電壓下引起小鼠腿部的規(guī)律大角度運(yùn)動(dòng)。作為對(duì)照的離子導(dǎo)電水凝膠的電極,，在250mV的驅(qū)動(dòng)電壓作用下也只可勉強(qiáng)引發(fā)小鼠腿部微小運(yùn)動(dòng),。

西湖大學(xué)博士后、論文第一作者惠岳表示,，這一套技術(shù)方法,，可以在個(gè)性化定制可植入電子器件領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。（洪恒飛 沈是 記者江耘）


論文原文：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00900-0