3D 打印的新方法：軟水凝膠電子器件

水凝膠(Hydrogel)是一類極為親水的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凝膠，它在水中迅速溶脹并在此溶脹狀態(tài)可以保持大量體積的水而不溶解。由于存在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，水凝膠可以溶脹和保有大量的水，水的吸收量與交聯(lián)度密切相關(guān)。交聯(lián)度越高，吸水量越低。這一特性很像一種軟組織。水凝膠中的水含量可以低到百分之幾，也可以高達(dá)99%。凝膠的聚集態(tài)既非完全的固體也非完全的液體。固體的行為是一定條件下可維持一定的形狀與體積，液體行為是溶質(zhì)可以從水凝膠中擴(kuò)散或滲透。

水凝膠是三維 (3D) 聚合物網(wǎng)絡(luò)，不溶于水但保留大量液體。由于這種有利的特性，水凝膠是生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境應(yīng)用中特別有前途的材料平臺(tái)，因?yàn)樗鼈兛梢栽隗w液或潮濕的自然環(huán)境中存活而不會(huì)消散。

在過(guò)去十年中，工程師和材料科學(xué)家一直在開發(fā)大量基于軟水凝膠的電子設(shè)備，包括環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)傳感器、藥物輸送設(shè)備和人造組織。盡管這些基于水凝膠的設(shè)備具有巨大的潛力，但它們的廣泛應(yīng)用迄今一直受到其高生產(chǎn)成本的阻礙。

由西湖大學(xué)周南嘉博士和中國(guó)西湖高等研究院領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)最近推出了一種新策略，可實(shí)現(xiàn)軟水凝膠電子器件的 3D 打印。他們的方法在Nature Electronics上發(fā)表的一篇論文中介紹，可以幫助降低許多基于水凝膠的設(shè)備的生產(chǎn)成本，包括應(yīng)變傳感器、電感器和生物電極。

“我們選擇研究水凝膠的生產(chǎn)，因?yàn)殡m然目前大多數(shù)軟電子產(chǎn)品都是基于柔性彈性體和聚合物，但不可否認(rèn)的是，水凝膠與人體更相似，可能會(huì)導(dǎo)致更好的組織整合和更少的免疫反應(yīng)，”Yue Hui 博士說(shuō)，進(jìn)行這項(xiàng)研究的一位研究人員告訴 TechXplore?！罢缰暗难芯勘砻鞯哪菢樱覀冋J(rèn)為水凝膠是創(chuàng)造未來(lái)醫(yī)療保健電子設(shè)備的有前途的候選者。”

Hui 和他的同事最近研究的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種有效的策略來(lái)制造越來(lái)越復(fù)雜和生物醫(yī)學(xué)上有用的水凝膠電子產(chǎn)品。他們提出的方法基于 3D打印技術(shù)，特別是利用基于水凝膠的支撐基質(zhì)和可拉伸的銀水凝膠墨水。

“我們開發(fā)的嵌入式 3D 打印方法涉及將導(dǎo)電水凝膠墨水自由打印到水凝膠支撐基質(zhì)中，隨后將兩部分固化以形成柔軟且可拉伸的電子設(shè)備，”Hui 解釋道?！斑@些都是基于基質(zhì)和墨水合適的流變特性，以及海藻酸鹽和聚丙烯酰胺的正交固化機(jī)制，它們是水凝膠的主要成分?！?/p>

研究人員發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)電填料(即銀薄片)與顆粒狀凝膠顆粒結(jié)合會(huì)導(dǎo)致在導(dǎo)電 3D 打印墨水中形成隔離結(jié)構(gòu)。這種墨水表現(xiàn)出超過(guò) 1,400 S/cm 的卓越電導(dǎo)率。

為了證明他們提出的策略的可行性，Hui 和他的同事用它來(lái)創(chuàng)建一系列基于水凝膠的電子產(chǎn)品，包括應(yīng)變傳感器、電感器和生物電極。由此產(chǎn)生的設(shè)備被發(fā)現(xiàn)性能非常好，表明這種方法可用于創(chuàng)建一系列新的基于水凝膠的技術(shù)。

“正如我們?cè)谡撐闹兴故镜哪菢?，我們的方法可用于制造具有不同功能的各種水凝膠電子設(shè)備，”Hui 說(shuō)?！疤貏e是，我們可以直接打印可以與外界通信的外露電極，我們可以通過(guò)打印將 LED 和芯片等組件集成到電路中。我們的研究結(jié)果表明，通過(guò)精巧的設(shè)計(jì)，我們可以真正制造出功能性水凝膠電子設(shè)備?！?/p>

未來(lái)，這組研究人員最近的工作可以制造出更復(fù)雜、更精密的基于水凝膠的電子產(chǎn)品，包括生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和監(jiān)測(cè)環(huán)境的新技術(shù)。Hui 和他的同事現(xiàn)在正在努力改進(jìn)他們的 3D打印策略，以進(jìn)一步促進(jìn)其在現(xiàn)實(shí)世界中的大規(guī)模實(shí)施。

“我們現(xiàn)在將繼續(xù)優(yōu)化材料和方法，”Hui 補(bǔ)充道?！袄?，關(guān)于具有分離結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電油墨的系統(tǒng)和理論研究仍然缺乏，這可能是進(jìn)一步提高其導(dǎo)電性的關(guān)鍵。我們還計(jì)劃設(shè)計(jì)和制造生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，并在動(dòng)物身上驗(yàn)證它們的功能?！?/p>