供稿人：雷沁霖、高琳 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-03-10
近年来已经开发了许多用于医疗保健应用的软电子设备，它们提供了一系列功能，包括生物信号检测、健康监测、神经刺激、脑机接口，神经肌肉连接和半机械人组织。该系统通常依靠传统的制造方法在弹性体基材上刻印导电材料。为了实现可拉伸性，电路和互连是通过将刚性导电材料制成蛇形几何形状或使用本质上可拉伸的导体来制造的。然而，弹性体的机械和化学性能与生物组织的不匹配问题，可能导致损害电子设备功能的生物组织免疫反应。此外，大多数现有的软电子产品受到现有材料和制造策略的限制，只能采用平面或二维半结构，这降低了它们与几何敏感的生物和生物启发应用的兼容性。
在现有的材料和制造方法下，将复杂的三维电路封装在水凝胶矩阵中是具有挑战性的。为了解决这一难题，西湖大学的周南嘉研究团队开发了一种水凝胶电路的三维打印方法，使用可固化的水凝胶基支撑基质和可拉伸的银水凝胶墨水。支撑基质具有屈服应力流体特性，因此由移动打印机喷嘴产生的剪切力会产生暂时的流体状状态，从而允许在银水凝胶墨水电路和电子元件的基质中精确放置。
图1 通过嵌入式 3D 打印制造水凝胶电子器件
首先，通过将支撑基质(用于粉末状水凝胶样品)或非交联前体溶液(用于非粉末状凝胶样品)浇注到3D打印的聚乳酸模具中，并在60°C下加热1小时，诱导海藻酸盐-聚丙烯酰胺的聚合反应，制备试样。接下来，使用定制的三轴高分辨率直接喷墨打印平台进行导电墨水的3D打印。打印路径由G代码生成。打印完成后，将水凝胶浴液覆盖在玻璃盖片上，以最小化氧气对聚合反应的影响，并为器件创建一个光滑的表面。最后，在湿润的环境中以60°C加热1小时。
为了说明嵌入式 3D 打印技术的多功能性，研究人员制造了一系列不同的水凝胶电子器件：电阻传感器、配备曲率传感器的致动器、电感器和生物医学电极。打印的器件表现出优异的机械稳定性和电气性能。与现有的水凝胶电子器件制造方法相比，这样的制造工艺和方法表现出了高精度、高可设计性和自动化的特点。因此，该方法应该为诊断和治疗设备的柔性、可定制、3D水凝胶电子器件的制造开辟新的可能性。