供稿人：雷沁霖、高琳 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-03-10
近年來已經(jīng)開發(fā)了許多用于醫(yī)療保健應(yīng)用的軟電子設(shè)備，它們提供了一系列功能，包括生物信號(hào)檢測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、神經(jīng)刺激、腦機(jī)接口，神經(jīng)肌肉連接和半機(jī)械人組織。該系統(tǒng)通常依靠傳統(tǒng)的制造方法在彈性體基材上刻印導(dǎo)電材料。為了實(shí)現(xiàn)可拉伸性，電路和互連是通過將剛性導(dǎo)電材料制成蛇形幾何形狀或使用本質(zhì)上可拉伸的導(dǎo)體來制造的。然而，彈性體的機(jī)械和化學(xué)性能與生物組織的不匹配問題，可能導(dǎo)致?lián)p害電子設(shè)備功能的生物組織免疫反應(yīng)。此外，大多數(shù)現(xiàn)有的軟電子產(chǎn)品受到現(xiàn)有材料和制造策略的限制，只能采用平面或二維半結(jié)構(gòu)，這降低了它們與幾何敏感的生物和生物啟發(fā)應(yīng)用的兼容性。
在現(xiàn)有的材料和制造方法下，將復(fù)雜的三維電路封裝在水凝膠矩陣中是具有挑戰(zhàn)性的。為了解決這一難題，西湖大學(xué)的周南嘉研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種水凝膠電路的三維打印方法，使用可固化的水凝膠基支撐基質(zhì)和可拉伸的銀水凝膠墨水。支撐基質(zhì)具有屈服應(yīng)力流體特性，因此由移動(dòng)打印機(jī)噴嘴產(chǎn)生的剪切力會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)的流體狀狀態(tài)，從而允許在銀水凝膠墨水電路和電子元件的基質(zhì)中精確放置。
圖1 通過嵌入式 3D 打印制造水凝膠電子器件
首先，通過將支撐基質(zhì)(用于粉末狀水凝膠樣品)或非交聯(lián)前體溶液(用于非粉末狀凝膠樣品)澆注到3D打印的聚乳酸模具中，并在60°C下加熱1小時(shí)，誘導(dǎo)海藻酸鹽-聚丙烯酰胺的聚合反應(yīng)，制備試樣。接下來，使用定制的三軸高分辨率直接噴墨打印平臺(tái)進(jìn)行導(dǎo)電墨水的3D打印。打印路徑由G代碼生成。打印完成后，將水凝膠浴液覆蓋在玻璃蓋片上，以最小化氧氣對(duì)聚合反應(yīng)的影響，并為器件創(chuàng)建一個(gè)光滑的表面。最后，在濕潤(rùn)的環(huán)境中以60°C加熱1小時(shí)。
為了說明嵌入式 3D 打印技術(shù)的多功能性，研究人員制造了一系列不同的水凝膠電子器件：電阻傳感器、配備曲率傳感器的致動(dòng)器、電感器和生物醫(yī)學(xué)電極。打印的器件表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和電氣性能。與現(xiàn)有的水凝膠電子器件制造方法相比，這樣的制造工藝和方法表現(xiàn)出了高精度、高可設(shè)計(jì)性和自動(dòng)化的特點(diǎn)。因此，該方法應(yīng)該為診斷和治療設(shè)備的柔性、可定制、3D水凝膠電子器件的制造開辟新的可能性。