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新資訊:我科學(xué)家首次實現(xiàn)水凝膠軟電子器件3D打印


(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(xué)工學(xué)院獲悉,該院特聘研究員周南嘉團(tuán)隊開發(fā)了一種水凝膠支撐基質(zhì)和一種銀-水凝膠復(fù)合導(dǎo)電墨水,在全球范圍內(nèi)首次通過3D打印制備出封裝內(nèi)部電路的一體化水凝膠電子器件,相關(guān)研究成果12月20日發(fā)表在國際期刊《自然-電子學(xué)》上。

“外來”的材料會被人體識別,產(chǎn)生一定的排異反應(yīng),比如治療骨折用的鋼釘、種植用的牙齒,乃至材質(zhì)柔軟的人工耳蝸。面對電子器件進(jìn)入身體后的“尷尬”,水凝膠被科學(xué)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(tǒng)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(tuán)隊此次突破點在于,把水凝膠電子器件中的金屬部分也“統(tǒng)一”成水凝膠的狀態(tài)。

研究團(tuán)隊首先在材料的設(shè)計方法上尋找突破,找到了海藻酸鈣-聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠并加以改造。據(jù)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(tuán)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(xì)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(lián)劑和自由基引發(fā)劑,粒徑在20微米左右,可以作為3D打印的“支撐基質(zhì)”。打印完成后,可再通過加熱引發(fā)聚丙烯酰胺的固化,讓電子器件最終定型。

水凝膠導(dǎo)電墨水制備過程示意圖(a)與水凝膠導(dǎo)電墨水打印示意圖(b) 科研團(tuán)隊供圖

微凝膠顆粒是流體狀態(tài)的,可以作為用來打印電子器件的“基質(zhì)”,那能否通過改造,讓這種微凝膠顆粒可以導(dǎo)電,用來打印電子器件的電路部分?經(jīng)過反復(fù)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(dǎo)電墨水材料。這種導(dǎo)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(zhì)中自由構(gòu)建具有三維結(jié)構(gòu)的柔性電路。

在此基礎(chǔ)上,研究團(tuán)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(shù)纏繞在小鼠的坐骨神經(jīng)上。在1Hz頻率的脈沖式電壓刺激下,3D打印電極可在低達(dá)100mV的電壓下引起小鼠腿部的規(guī)律大角度運動。作為對照的離子導(dǎo)電水凝膠的電極,在250mV的驅(qū)動電壓作用下也只可勉強引發(fā)小鼠腿部微小的運動。

西湖大學(xué)博士后、論文第一作者惠岳表示,這一套技術(shù)方法,可以在個性化定制可植入電子器件領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞: 電子器件 導(dǎo)電墨水 海藻酸鈣 聚丙烯酰胺

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