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用水凝膠打印柔性電路 我國科學(xué)家首次實現(xiàn)水凝膠3D打印電子器件
2022年12月22日 08:55:40
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：吳吳吳 點擊量：5021
我國科學(xué)家開發(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，在全球范圍首次通過3D打印制備出內(nèi)外一體水凝膠電子器件。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】水凝膠能被水溶脹但不溶于水，是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，它能夠感知到外界溫度、pH值、電磁等刺激的微小變化，并通過自身體積的溶脹或收縮對此進(jìn)行響應(yīng)。上世紀(jì)90年代，科學(xué)家通過將水凝膠與導(dǎo)電聚合物聚合交聯(lián)提升了水凝膠的導(dǎo)電性能，開發(fā)基于水凝膠的電子器件成為可能。
近年來，水凝膠成為人造皮膚、柔性和可植入生物電子學(xué)及組織工程的“寵兒”，與其他如骨折用鋼釘、種植牙、人工耳蝸等材料相比，基于水凝膠的電子器件具有良好的生物相容性、表面順應(yīng)性和可伸展性，被認(rèn)為是解決傳統(tǒng)電子器件質(zhì)硬、免疫反應(yīng)的最佳候選材料之一。
在生物電子學(xué)的相關(guān)應(yīng)用里，所用的材料不僅需要有良好的生物相容性，還需要同時具備優(yōu)異的機械性能和高導(dǎo)電性，這些特性是相關(guān)系統(tǒng)在承受巨大機械載荷下仍能保持正常信號傳輸、避免意外斷裂造成系統(tǒng)崩潰等問題的重要保證。
近日，西湖大學(xué)周南嘉、陶亮團(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，將水凝膠電子器件中的金屬部分也變成了全水凝膠電極，在全球范圍首次通過3D打印制備出內(nèi)外一體水凝膠電子器件，相關(guān)研究成果以“Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics”為題發(fā)表在《Nature Electronics》上。
水凝膠電子器件的組成包括基質(zhì)部分和電路部分，在基質(zhì)部分的材料設(shè)計方面，研究人員利用海藻酸鹽-聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的正交交聯(lián)機制開發(fā)了一種可固化的水凝膠基質(zhì)。據(jù)了解，研究人員先將海藻酸鈣固化，再打碎成粒徑20微米左右的微凝膠顆粒，這些微凝膠顆粒中還包含了丙烯酰胺單體、交聯(lián)劑和自由基引發(fā)劑。隨后，研究人員以得到的微凝膠顆粒為材料，經(jīng)3D打印成形后再加熱固化，最終得到電子器件的基質(zhì)部分。
水凝膠電子器件的電路部分也主要由制備基質(zhì)所得的微凝膠顆粒構(gòu)成，研究人員將微凝膠顆粒與5微米大小的銀薄片以及甘油和水溶性聚合物混合，開發(fā)出一種導(dǎo)電油墨，這種油墨可通過嵌入式打印的方法，在電子器件中構(gòu)建一個柔性電路，電流可以在其間自由流動。固化后的嵌入電路的水凝膠可以承受較大程度的拉伸和扭曲，一旦應(yīng)力消除，又恢復(fù)到原來的形狀。
為驗證一體化水凝膠電子器件的可用性，研究人員將制備的全水凝膠電極通過簡單的手術(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，該電極在低達(dá)100mV的電壓下順利引起了小鼠腿部的規(guī)律大角度運動。
與現(xiàn)有的水凝膠電子器件的制造方法相比，該研究提供了一個高精度、自動化、可設(shè)計的制造方法，可在個性化定制可植入電子器件領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
資料來源：西湖大學(xué)、科技日報、高分子科學(xué)前沿
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