供稿人：姚思琦、王玲 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-05-05
生物电子器件在生理环境中实现类组织机械顺应性和保持高导电性是电子材料在长期体内植入和功能化过程中与生物组织和器官对接的关键。鉴于导电聚合物水凝胶独特的柔性、导电性和生物相容性，可最大限度的减少组织-生物电子的界面力学和电化学失配，对医疗保健监测、诊断及治疗具有广泛的意义。然而常规的制造手段难以制造具有高分辨率和复杂结构的生物电子器件，无法满足复杂生物环境对高性能生物电子的需求。
近期，南方科技大学刘吉教授团队与江西科技师范大学卢宝阳教授团队合作开发了一种基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)的可3D打印水凝胶（图1），具有优越的直接墨水书写能力、类组织机械柔性（弹性模量≈650 kPa）以及高度可调的电学性能（大于9 S/m）。导电墨水由PEDOT:PSS分散颗粒(4 wt%)、PVA (4 wt%)、PAA-NHS (16 wt%)、CTS (0.4 wt%)和GA (0.01 wt%)组成，此外通过调整器件结构和不同功能层的化学组分设计，可进行多材料直接墨水书写打印包括基底层、传感层和绝缘封装层的流线型水凝胶电子器件，使得分层材料具有相似的杨氏模量(≈600 kPa)和含水量（75%），同时界面化学相互作用可以实现坚固的界面键合而不发生界面分层现象。
图1 可3D打印导电墨水的设计与配方
进一步的，研究人员通过多材料墨水直写打印具备16通道的电极阵列，并将其分别应用至大鼠离体和在体心脏表面，相比商用心脏贴片电极，导电聚合物水凝胶电极阵列可以在动态移动的生物组织和器官上实现保形和紧密锚固，极大的提高了记录信噪比和信号保真度，能够对体外灌注心脏模型和体内大鼠心脏模型的心外膜电生理信号进行时空映射（图2）。并成功监测出患病大鼠（心梗模型）的异常心电信号，通过电生理信号的时空映射可精确定位出异常心电传导区域，并给予电刺激治疗，实现病变区域的精准电学调控。
图2 用于心电监测的3D打印水凝胶生物电子
该研究提出了一种具有优越墨水直写能力的高导电油墨，并利用多材料3D打印技术制造高分辨率和复杂精细结构的生物电子器件，实现组织-电子界面稳定的机械耦合及高效的电学交互。3D打印水凝胶生物电子学可能为未来先进的植入式生物电子学开辟新的机会，也可作为下一代生物电子技术用于医疗监测、诊断和医疗治疗的基础。