水凝膠電子器件首次3D打印制備

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”的材料會被人體識別，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�？梢詫�(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）