研究人員開發(fā)了一種新型生物3D打印油墨，皆在用于下一代可穿戴技術(shù)

2022年9月18日，南極熊獲悉，德克薩斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程副教授Akhilesh Gaharwar實驗室的一個團(tuán)隊，利用了一種稱為二硫化鉬(MoS2)的新型2D納米材料，開發(fā)了一種適用3D打印的生物油墨，研究人員稱，該技術(shù)可用于開發(fā)與人體更兼容的可穿戴技術(shù)，為新型“集成”微電子應(yīng)用鋪了平道路。

△Akhilesh Gaharwar和研究生Kaivalya Deo，設(shè)計了一種具有高度生物相容和導(dǎo)電性的水凝膠油墨

在過去的幾年里，柔性電子技術(shù)已取得了一定的進(jìn)步，使得可穿戴設(shè)備的設(shè)計得以實現(xiàn)，這些設(shè)備將傳感器、執(zhí)行器和其他組件與其他可穿戴、可攝入或可植入的材料集成在一起。然而，研究人員表示，與人體組織相比，它們的機(jī)械和生物學(xué)特性仍有很大差異。

現(xiàn)在，德克薩斯團(tuán)隊開發(fā)的生物墨水，創(chuàng)造了一種可模仿皮膚原生特性的可打印油墨，這有可能對生物3D打印產(chǎn)生重大影響。

△合成新型MoS2納米材料：首先將前驅(qū)體均勻地分散在去離子水中。然后將混合物轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)器中，加熱到180°度21小時。隨后對反應(yīng)的混合物進(jìn)行超聲和過濾，以獲得不同比例的富含缺陷的MoS2納米

結(jié)合生物油墨的生物相容性和導(dǎo)電性
MoS2具有特殊薄層結(jié)構(gòu)和缺陷中心，使它具有化學(xué)活性。用這種材料制成的油墨具有剪切稀化的特性，隨著力的增加，它的粘度會降低。研究人員說，這在打印過程中改變了它的成分，使它在管內(nèi)成為固體，但在擠壓時更像液體一樣流動，類似于番茄醬或牙膏。

生物醫(yī)學(xué)工程系的研究生Kaivalya Deo說，為了使它更利于打印，研究人員將導(dǎo)電的納米材料，與一種改性明膠結(jié)合起來，共同形成了一種可與食品Jell-O相媲美的水凝膠，具有制造電子設(shè)備所必需的特性。

他在文章中說：“這些3D打印的設(shè)備具有極強(qiáng)的彈性，可以被壓縮、彎曲或扭曲而不破裂。此外，這些設(shè)備是電子主動的，使它們能夠監(jiān)測人類的動態(tài)運(yùn)動，為連續(xù)運(yùn)動監(jiān)測鋪平道路�！�

△3D打印的交聯(lián)結(jié)構(gòu)具有出色的應(yīng)變敏感性，可用作可穿戴電子設(shè)備來檢測各種運(yùn)動動力學(xué)

共同擴(kuò)大生物打印應(yīng)用
研究人員說，通過他們自己開發(fā)的機(jī)器來展示他們的研究成果。為了使用這種油墨進(jìn)行打印，該團(tuán)隊設(shè)計了自己的開源多頭3D生物打印機(jī)，它是完全可定制的，在開源工具和免費(fèi)軟件上運(yùn)行。該團(tuán)隊還旨在圍繞他們的發(fā)明創(chuàng)造一個生態(tài)系統(tǒng)，讓在該領(lǐng)域工作的其他研究人員，同樣能夠建立類似的生物3D打印機(jī)。

Deo說，在實驗室里使用該3D打印機(jī)，制造了具有應(yīng)變感應(yīng)能力的電活性和可拉伸電子設(shè)備，從而證明了該款生物油墨的可行性。這些設(shè)備可用于工程上的可定制監(jiān)測系統(tǒng)，將可拉伸傳感器與微電子集成元件配對的新型應(yīng)用鋪平道路。

△該團(tuán)隊的研究成果已發(fā)表在ACS Nano雜志，題目為“設(shè)計可用于生物3D打印的柔性電子學(xué)納米工程油墨”（傳送門）

研究人員說，這種生物油墨的另一個潛在應(yīng)用是3D打印電子紋身，可以穿在帕金森病患者的皮膚上，監(jiān)測他們的運(yùn)動，如震顫，以便醫(yī)生能夠提供更好的護(hù)理。

他還說道，由于這種墨水可以創(chuàng)建復(fù)雜的三維電路，而且不局限于二維設(shè)計，研究人員可以靈活地使用它來建立可定制的生物電子，以滿足特定的應(yīng)用，或者在醫(yī)療設(shè)備的情況下，滿足病人的個性化要求。