西湖大学实现水凝胶电子器件3D打印制备-金属3D打印工厂

西湖大学实现水凝胶电子器件3D打印制备-金属3D打印工厂插图

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西湖大学实现水凝胶电子器件3D打印制备

| 3DScienceValley · 2022/12/21

植入生命体的电子器件,可以是柔软而有温度的。根据科技日报的报道,西湖大学工学院特聘研究员周南嘉团队开发了一种水凝胶支撑基质和一种银—水凝胶复合导电墨水,在国际上首次通过3D打印制备出封装内部电路的一体化水凝胶电子器件。相关研究成果12月20日发表在国际期刊《自然·电子学》上。

西湖大学实现水凝胶电子器件3D打印制备

通过嵌入式3D打印Embedded 3D printing,EM3DP制造水凝胶电子学。

来源:https://www.nature.com/articles/s41928-022-00887-8

西湖大学实现水凝胶电子器件3D打印制备

 应用潜力:个性化定制可植入电子器件

“外来”的材料会被人体识别,产生一定的排异反应,比如治疗骨折用的钢钉、种植用的牙齿,乃至材质柔软的人工耳蜗。面对电子器件进入身体后的“尴尬”,水凝胶被科学家寄予厚望,因为它同时具备柔韧性和良好的生物兼容性。

“水凝胶无处不在,比如隐形眼镜、小朋友玩的水晶泥。”周南嘉介绍,传统的水凝胶电子器件,就是用水凝胶把电路“包裹封装”起来,在核心的电路部分,仍然是坚硬的金属。

团队此次研究的突破点在于,把水凝胶电子器件中的金属部分也“统一”成水凝胶的状态。

团队首先在材料的设计方法上寻找突破,找到了海藻酸钙—聚丙烯酰胺双网络水凝胶并加以改造。据了解,将海藻酸钙和聚丙烯酰胺合成一整块水凝胶的方法,虽然常见但缺少灵活性。他们把这两种水凝胶的固化分成了两个独立步骤——先固化海藻酸钙,然后再“打碎”细化成为微凝胶微颗粒

如此一来,这种凝胶颗粒中除了海藻酸钙,还包含了丙烯酰胺单体、交联剂和自由基引发剂,粒径在20微米左右,可以作为3D打印的“支撑基质”。打印完成后,可再通过加热引发聚丙烯酰胺的固化,让电子器件最终定型。

微凝胶颗粒是流体状态的,可以作为打印电子器件的“基质”,那能否通过改造,让这种微凝胶颗粒可以导电,用来打印电子器件的电路部分?经过反复试验,研究人员找到了突破点——将微凝胶颗粒与少量微米银片以及添加剂混合,制成导电墨水材料。这种导电水凝胶墨水可以通过嵌入式打印的方法,在微凝胶颗粒的基质中自由构建具有三维结构的柔性电路。

在此基础上,团队制备了可用于提供电刺激的全水凝胶电极,这种电极能通过简单的手术缠绕在小鼠的坐骨神经上。在1Hz频率的脉冲式电压刺激下,3D打印电极可在低达100mV的电压下引起小鼠腿部的规律大角度运动。作为对照的离子导电水凝胶的电极,在250mV的驱动电压作用下也只可勉强引发小鼠腿部微小运动。

西湖大学博士后、论文第一作者惠岳表示,这一套技术方法,可以在个性化定制可植入电子器件领域发挥重要作用。

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