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用水凝胶打印柔性电路 我国科学家首次实现水凝胶3D打印电子器件
2022年12月22日 08:55:40
来源：化工仪器网 作者：吴吴吴 点击量：5143
我国科学家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，在全球范围首次通过3D打印制备出内外一体水凝胶电子器件。
【化工仪器网 项目成果】水凝胶能被水溶胀但不溶于水，是一种具有三维网络结构的聚合物，它能够感知到外界温度、pH值、电磁等刺激的微小变化，并通过自身体积的溶胀或收缩对此进行响应。上世纪90年代，科学家通过将水凝胶与导电聚合物聚合交联提升了水凝胶的导电性能，开发基于水凝胶的电子器件成为可能。
近年来，水凝胶成为人造皮肤、柔性和可植入生物电子学及组织工程的“宠儿”，与其他如骨折用钢钉、种植牙、人工耳蜗等材料相比，基于水凝胶的电子器件具有良好的生物相容性、表面顺应性和可伸展性，被认为是解决传统电子器件质硬、免疫反应的最佳候选材料之一。
在生物电子学的相关应用里，所用的材料不仅需要有良好的生物相容性，还需要同时具备优异的机械性能和高导电性，这些特性是相关系统在承受巨大机械载荷下仍能保持正常信号传输、避免意外断裂造成系统崩溃等问题的重要保证。
近日，西湖大学周南嘉、陶亮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，将水凝胶电子器件中的金属部分也变成了全水凝胶电极，在全球范围首次通过3D打印制备出内外一体水凝胶电子器件，相关研究成果以“Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics”为题发表在《Nature Electronics》上。
水凝胶电子器件的组成包括基质部分和电路部分，在基质部分的材料设计方面，研究人员利用海藻酸盐-聚丙烯酰胺双网络水凝胶的正交交联机制开发了一种可固化的水凝胶基质。据了解，研究人员先将海藻酸钙固化，再打碎成粒径20微米左右的微凝胶颗粒，这些微凝胶颗粒中还包含了丙烯酰胺单体、交联剂和自由基引发剂。随后，研究人员以得到的微凝胶颗粒为材料，经3D打印成形后再加热固化，最终得到电子器件的基质部分。
水凝胶电子器件的电路部分也主要由制备基质所得的微凝胶颗粒构成，研究人员将微凝胶颗粒与5微米大小的银薄片以及甘油和水溶性聚合物混合，开发出一种导电油墨，这种油墨可通过嵌入式打印的方法，在电子器件中构建一个柔性电路，电流可以在其间自由流动。固化后的嵌入电路的水凝胶可以承受较大程度的拉伸和扭曲，一旦应力消除，又恢复到原来的形状。
为验证一体化水凝胶电子器件的可用性，研究人员将制备的全水凝胶电极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，该电极在低达100mV的电压下顺利引起了小鼠腿部的规律大角度运动。
与现有的水凝胶电子器件的制造方法相比，该研究提供了一个高精度、自动化、可设计的制造方法，可在个性化定制可植入电子器件领域发挥重要作用。
资料来源：西湖大学、科技日报、高分子科学前沿
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