西湖大學首次實現水凝膠電子器件3D打印制備

來源：科技日報


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

“外來”的材料會被人體識別，產生一定的排異反應，比如治療骨折用的鋼釘、種植用的牙齒，乃至材質柔軟的人工耳蝸。面對電子器件進入身體后的“尷尬”，水凝膠被科學家寄予厚望，因為它同時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�！敝苣霞谓榻B，傳統的水凝膠電子器件，就是用水凝膠把電路“包裹封裝”起來，在核心的電路部分，仍然是堅硬的金屬。

團隊此次研究的突破點在于，把水凝膠電子器件中的金屬部分也“統一”成水凝膠的狀態(tài)。

團隊首先在材料的設計方法上尋找突破，找到了海藻酸鈣—聚丙烯酰胺雙網絡水凝膠并加以改造。據了解，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獨立步驟——先固化海藻酸鈣，然后再“打碎”細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”。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”，那能否通過改造，讓這種微凝膠顆�？梢詫щ姡�用來打印電子器件的電路部分？經過反復試驗，研究人員找到了突破點——將微凝膠顆粒與少量微米銀片以及添加劑混合，制成導電墨水材料。這種導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中自由構建具有三維結構的柔性電路。

在此基礎上，團隊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纏繞在小鼠的坐骨神經上。在1Hz頻率的脈沖式電壓刺激下，3D打印電極可在低達100mV的電壓下引起小鼠腿部的規(guī)律大角度運動。作為對照的離子導電水凝膠的電極，在250mV的驅動電壓作用下也只可勉強引發(fā)小鼠腿部微小運動。

西湖大學博士后、論文第一作者惠岳表示，這一套技術方法，可以在個性化定制可植入電子器件領域發(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