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2022-12-21 12:02:10
新資訊：我科學家首次實現水凝膠軟電子器件3D打印
2022-12-21 12:02:10 來源: 科技日報
(資料圖片)
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了一種水凝膠支撐基質和一種銀-水凝膠復合導電墨水，在全球范圍內首次通過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。”周南嘉介紹，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。
研究團隊此次突破點在于，把水凝膠電子器件中的金屬部分也“統一”成水凝膠的狀態。
研究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。研究團隊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，可再通過加熱引發聚丙烯酰胺的固化，讓電子器件最終定型。
水凝膠導電墨水制備過程示意圖(a)與水凝膠導電墨水打印示意圖(b) 科研團隊供圖
微凝膠顆粒是流體狀態的，可以作為用來打印電子器件的“基質”，那能否通過改造，讓這種微凝膠顆粒可以導電，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，研究團隊制備了可用于提供電刺激的全水凝膠電極，可以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小鼠腿部微小的運動。
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揮重要作用。
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