SCI期刊《先進(jìn)材料技術(shù)》:蘭卡斯特大學(xué)將3D打印電子器件集成到活組織中

導(dǎo)讀：電子產(chǎn)品及其部件的制造和微型化發(fā)展，使我們的生活發(fā)生了革命性的變化。電子設(shè)備在我們的日常生活中無處不在，并成為世界各國經(jīng)濟(jì)成功的基礎(chǔ)、 由于各種原因，有機(jī)導(dǎo)體和半導(dǎo)體（例如，碳納米管的衍生物、石墨烯、共軛聚合物等）在這些設(shè)備中發(fā)揮著越來越重要的作用。世界各地的電子產(chǎn)品中使用的集成電路,例如，用于包括但不限于放大器、邏輯單元、傳感器等的應(yīng)用通常是以層壓方式批量生產(chǎn)的。如今，制造帶有集成電子器件的3D產(chǎn)品已成為一個(gè)火熱的研究方向，以期發(fā)展柔性電子。


2023年3月，南極熊獲悉，英國蘭開斯特大學(xué)的一個(gè)項(xiàng)目開發(fā)了一種3D打印方法，可以將由導(dǎo)電聚合物制成的柔性電子產(chǎn)品整合到生物相容性組織中。他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》上，題目為《Creating 3D Objects with Integrated Electronics via Multiphoton Fabrication In Vitro and In Vivo》

●這種集成電子器件的三維物體是利用多光子制造原理（直接激光寫入，（DLW））的增材制造方法生產(chǎn)的�；�于導(dǎo)電聚合物的結(jié)構(gòu)（具有微米級(jí)的特征）被打印在示范基質(zhì)中，這是一種彈性體（聚二甲基硅氧烷，（PDMS）），已被廣泛研究用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

●研究人員還通過光學(xué)相干斷層掃描評(píng)估了PDMS中打印過程的保真度，并證明導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)能夠在體外刺激小鼠腦組織。

●此外，該方法在活的線蟲（Caenorhabditis elegans）體內(nèi)打印結(jié)構(gòu)的適用性被證明。

這些結(jié)果突出了這種增材制造方法在生產(chǎn)下一代先進(jìn)材料技術(shù)方面的潛力，特別是用于技術(shù)和醫(yī)療應(yīng)用的集成電子器件。

研究內(nèi)容：

●集成在三維物體中的基于導(dǎo)電聚合物的電子器件的增材制造 ：
研究人員首先使用780nm的 Nanoscribe 3D 打印機(jī)直接在 PDMS 矩陣內(nèi) 3D 打印電路，并證明導(dǎo)電聚合物可以通過將其連接到體外小鼠大腦切片。該電路成功地刺激了組織中的神經(jīng)元反應(yīng)。



集成在柔性基材中的打印電子器件，在技術(shù)應(yīng)用（如顯示技術(shù)）和醫(yī)療應(yīng)用（如用于與中樞/外周神經(jīng)系統(tǒng)互動(dòng)的病人特定的可植入電極）方面具有巨大潛力。打印集成在形狀記憶聚合物材料中的導(dǎo)電聚合物結(jié)構(gòu)可能有助于開發(fā)開關(guān)、神經(jīng)袖套電極等，并且通過在光學(xué)透明的SMP（形狀記憶聚酰亞胺，圖S6，支持信息）薄膜中/上打印PPY結(jié)構(gòu)，證明有可能實(shí)現(xiàn)此類應(yīng)用。

●集成在三維物體中的導(dǎo)電聚合物電子器件的增材制造在體內(nèi)進(jìn)行：
在體內(nèi)試驗(yàn)，該項(xiàng)目將類似的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)直接3D打印到線蟲中，這是完整加工順序（墨水配方、激光曝光和打�。┡c活生物體相容的首次證明。這需要考慮潛在的毒性和關(guān)鍵的激光參數(shù)，以便采用聚合所需的盡可能低的激光功率。



在復(fù)雜的環(huán)境中（這里是蠕蟲的身體），打印的準(zhǔn)確性和精確度也會(huì)下降。因此，在將該方法轉(zhuǎn)化為較厚的脊椎動(dòng)物/人體組織時(shí)，可能需要采用適應(yīng)性光學(xué)的糾正策略來規(guī)避該問題；盡管如此，這代表了在體內(nèi)打印非導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的例子中的技術(shù)飛躍。

結(jié)論
本研究報(bào)告了應(yīng)用多光子制造工藝創(chuàng)建具有集成電子器件的3D物體：對(duì)墨水成分進(jìn)行硅學(xué)毒性篩選，確定可能的細(xì)胞相容性配方；通過透光材料進(jìn)行3D打印，產(chǎn)生分辨率高的導(dǎo)電微米級(jí)特征；刺激3D打印的PPY結(jié)構(gòu)與活體腦組織連接，可以誘發(fā)特定的突觸反應(yīng)；并且可以直接在體內(nèi)3D打印PPY結(jié)構(gòu)。

研究人員展示了一系列由這種技術(shù)驅(qū)動(dòng)的制造（工業(yè)4.0）工藝制造的例子，包括PDMS薄膜和一個(gè)生物體（C. elegans）；并強(qiáng)調(diào)了潛在的應(yīng)用，如能夠刺激神經(jīng)組織的電極�？梢院侠眍A(yù)測，這項(xiàng)技術(shù)在以人為本的設(shè)計(jì)和定制制造（工業(yè)5.0）過程中的巨大潛力，用于生產(chǎn)遠(yuǎn)程醫(yī)療的生物電子產(chǎn)品，這代表了在現(xiàn)場直接打印生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的電子設(shè)備的可行性。

從長遠(yuǎn)來看，相信這種方法能夠加速發(fā)現(xiàn)、制造和部署由增材制造方法產(chǎn)生的先進(jìn)材料技術(shù)中使用的復(fù)雜復(fù)合材料，例如，組件選擇和成分調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和設(shè)備性能。通過這種技術(shù)生產(chǎn)的電子產(chǎn)品的潛在技術(shù)優(yōu)勢包括：更準(zhǔn)確的定位（刺激/記錄的細(xì)胞更少），以盡量減少不利影響（如組織損傷、免疫反應(yīng)/炎癥），提高特異性、效率和有效性，同時(shí)在更多的部位進(jìn)行刺激或記錄，并優(yōu)化信號(hào)與噪音的比值，這樣的特性在可植入生物電子裝置的設(shè)計(jì)中具有臨床意義。

原文下載鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202201274