西湖大学团队实现高性能水凝胶电子器件的3D打印，导电墨水电导率达1400S/cm

来源：DeepTech深科技 　2022-12-28 14:35:34


(相关资料图)

如今，电子器件正在从传统刚性材料向柔性、可拉伸材料过渡。尤其是后者近年来正在飞速发展，并且有望在未来的可穿戴、植入、健康检测、人机接口等领域产生巨大变革。

作为一种特殊的软材料，水凝胶材料由于本身的特性，如柔软、高含水量、良好的生物相容性等，在生物医学领域具有天然的优势。

（来源：西湖大学）
近日，西湖大学团队自主开发了一系列新材料和工艺，包括水凝胶打印基质、水凝胶导电墨水等，第一次实现了高性能水凝胶电子器件的 3D 打印。
相比于传统方法，该方法展现了超高的三维制造自由度和自动化程度，可用于制备多种高性能的水凝胶电子器件。
图丨相关论文（来源：Nature Electronics）
12 月 19 日，相关论文以《软水凝胶电子的三维打印》（）为题发表在Nature Electronics上[1]，并被选为当期封面论文。
该论文共同通讯作者为西湖大学工学院特聘研究员、西湖大学生命科学学院特聘研究员、西湖大学博士后（现澳大利亚阿德莱德大学博士后），论文共同第一作者为和西湖大学博士后（现西湖大学工学院助理研究员）。
图丨（来源：惠岳）
水凝胶电子器件作为一种新的柔性电子概念，无论其制备工艺还是材料都存在较大的提升空间。目前，有关于水凝胶电子器件的报道仍十分有限，且文献中主要采用直接包埋金属线、或预留腔道灌注液态金属的方法来构造电路。
这些方法在构建复杂三维结构电路、与有源器件（如 LED 等）的融合、以及与外部环境互动上依然存在较大困难。
（来源：Nature Electronics）
正是在这样的背景下，该团队看到了水凝胶电子器件在未来的柔性电子科研领域和商业市场中的发展潜力。但由于其材料本身难以加工的劣势，制备个性化、功能化和三维化的水凝胶电子器件仍然十分困难。
结合自身的经验和专长，该课题组瞄准了这一痛点，选择利用 3D 打印技术解决这个问题，并且得到了“意想不到”的结果。
在该研究中材料的开发过程，尤其是导电墨水的开发十分关键。在以往的水凝胶电子器件制备中，研究人员通常采用现成的金属导线或液态金属构建导电通路，这些材料虽具有良好导电性能，但可加工型较低，尤其是无法用于 3D 打印。
而之前报道过的用于弹性体 3D 打印中的导电墨水，如碳油、银-聚氨酯复合材料等，通常因具有导电率低或无法与水凝胶基质进行共价融合等问题，无法实现较好的力学和电学稳定性。
可以说，在此之前并没有现成的导电墨水适合用于水凝胶电子器件的 3D 打印。为此，该团队参考了大量文献，最终决定采用隔离结构（segregated structure）的设计思路。
这使得导电载体（银微米片）之间的接触可以更加紧密，从而在相同导电载体含量的情况下实现更高的电导率。
图丨制备水凝胶电子器件（来源：Nature Electronics）
据悉，由于该方法几乎从未被用于制备水凝胶导电复合材料，研究人员只得通过反复的实验、表征和配方优化，用了几乎半年时间才开发出了打印性良好、导电率高、且可以与水凝胶基质共价交联的水凝胶导电墨水。
表示，团队创新性地提出通过改进传统的海藻酸钙-聚丙烯酰胺双网络水凝胶合成方式和银-水凝胶复合导电墨水的混合方式，成功制备了性能优越且可调控的水凝胶支撑基质和导电墨水，从而首次实现了具有三维电路结构的水凝胶电子器件进行嵌入式 3D 打印。
其中，该团队所开发的可打印水凝胶导电墨水具有高达 1400S/cm 的电导率，超过了目前其他文献中所报道过的水凝胶导电复合材料。此外，该方法的显著优势还在于材料易于制备且价格低廉，这使为其推广创造了天然的有利因素。
（来源：西湖大学）
相比于传统方法，该方法的独特性之一体现在其十分易于制备可以与外部环境进行交互的水凝胶电子器件。“在论文中，我们展示了可以直接与测试仪器、有源电子器件、甚至生物组织相连接/贴合的水凝胶电子器件，这些器件不需要额外的引线便可以工作。”说道。
在该研究中，他们利用所开发的技术制造了一系列具有不同功能的水凝胶电子器件，包括电阻式拉伸传感器、可用于无线供能的水凝胶线圈、以及可用于心电信号采集和小鼠坐骨神经刺激的生物电极等。
其中，生物电极由于同时具备高电导率和良好的柔性，使得其展现出了比传统商业心电信号电极或离子导电水凝胶电极更好的效果。表示：“我们推测由于打印水凝胶电极和生物组织之间具有更小的阻抗，与此同时也初步体现出了水凝胶电子器件在生物应用上的优势。”
图丨小鼠坐骨神经刺激实验装置示意图 (左)、水凝胶电极包裹在神经上的放大示意图 (右)（来源：Nature Electronics）
虽然目前市场上还没有大规模出现对于三维电子器件的需求，但该团队制备了一种具有三维结构的螺线管-LED 器件，并展示了三维电子器件的可能性。该器件在受到正向和侧向压力时的电学响应截然不同，并且可以通过 LED 的明暗变化被实时检测。
指出，这在生物体内（比如作为人工半月板）十分有意义，因为生物组织可能会受到来自不同方向的压力，而对这些各向异性的力进行检测则是目前二维平面电子器件难以做到的。
（来源：Nature Electronics）
总体来说，该研究是一项创新性工作。这与博士以及课题组在微电路、水凝胶、柔型器件等的 3D 打印（包括材料、工艺、设备等）领域长期经验和成果的累积密不可分（以往报道：）。
图丨实际打印出的器件和实际实验照片（来源：西湖大学）
接下来，该团队将基于现有技术继续推进水凝胶电子器件研究工作。目前，他们正在开发更适用于生物体内环境的新型水凝胶材料，尤其是在生理环境下不溶胀、长期稳定或者可以降解的水凝胶，以最终达到体内应用目的。
该团队认为，水凝胶电子器件在未来个性化医疗检测和治疗领域拥有极大前景，并且已经为此次报道的技术申请了国家专利。
当然，该技术在最终实现临床应用之前仍有一些问题需要解决，这也是该团队未来努力的方向。他们期待未来与柔性电子、软材料和具有相关临床经验的团队建立合作，以更快地推进该技术的进步和转化。
参考资料：
1.Hui, Y., Yao, Y., Qian, Q. et al. Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics.Nature Electronics5, 893–903 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00887-8
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关键词： 电子器件 导电墨水 复合材料

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