3D 打印的新方法：软水凝胶电子器件

水凝胶(Hydrogel)是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。由于存在交联网络，水凝胶可以溶胀和保有大量的水，水的吸收量与交联度密切相关。交联度越高，吸水量越低。这一特性很像一种软组织。水凝胶中的水含量可以低到百分之几，也可以高达99%。凝胶的聚集态既非完全的固体也非完全的液体。固体的行为是一定条件下可维持一定的形状与体积，液体行为是溶质可以从水凝胶中扩散或渗透。

水凝胶是三维 (3D) 聚合物网络，不溶于水但保留大量液体。由于这种有利的特性，水凝胶是生物医学和环境应用中特别有前途的材料平台，因为它们可以在体液或潮湿的自然环境中存活而不会消散。

在过去十年中，工程师和材料科学家一直在开发大量基于软水凝胶的电子设备，包括环境和生物医学传感器、药物输送设备和人造组织。尽管这些基于水凝胶的设备具有巨大的潜力，但它们的广泛应用迄今一直受到其高生产成本的阻碍。

由西湖大学周南嘉博士和中国西湖高等研究院领导的研究团队最近推出了一种新策略，可实现软水凝胶电子器件的 3D 打印。他们的方法在Nature Electronics上发表的一篇论文中介绍，可以帮助降低许多基于水凝胶的设备的生产成本，包括应变传感器、电感器和生物电极。

“我们选择研究水凝胶的生产，因为虽然目前大多数软电子产品都是基于柔性弹性体和聚合物，但不可否认的是，水凝胶与人体更相似，可能会导致更好的组织整合和更少的免疫反应，”Yue Hui 博士说，进行这项研究的一位研究人员告诉 TechXplore。“正如之前的研究表明的那样，我们认为水凝胶是创造未来医疗保健电子设备的有前途的候选者。”

Hui 和他的同事最近研究的主要目标是设计一种有效的策略来制造越来越复杂和生物医学上有用的水凝胶电子产品。他们提出的方法基于 3D打印技术，特别是利用基于水凝胶的支撑基质和可拉伸的银水凝胶墨水。

“我们开发的嵌入式 3D 打印方法涉及将导电水凝胶墨水自由打印到水凝胶支撑基质中，随后将两部分固化以形成柔软且可拉伸的电子设备，”Hui 解释道。“这些都是基于基质和墨水合适的流变特性，以及海藻酸盐和聚丙烯酰胺的正交固化机制，它们是水凝胶的主要成分。”

研究人员发现，将导电填料(即银薄片)与颗粒状凝胶颗粒结合会导致在导电 3D 打印墨水中形成隔离结构。这种墨水表现出超过 1,400 S/cm 的卓越电导率。

为了证明他们提出的策略的可行性，Hui 和他的同事用它来创建一系列基于水凝胶的电子产品，包括应变传感器、电感器和生物电极。由此产生的设备被发现性能非常好，表明这种方法可用于创建一系列新的基于水凝胶的技术。

“正如我们在论文中所展示的那样，我们的方法可用于制造具有不同功能的各种水凝胶电子设备，”Hui 说。“特别是，我们可以直接打印可以与外界通信的外露电极，我们可以通过打印将 LED 和芯片等组件集成到电路中。我们的研究结果表明，通过精巧的设计，我们可以真正制造出功能性水凝胶电子设备。”

未来，这组研究人员最近的工作可以制造出更复杂、更精密的基于水凝胶的电子产品，包括生物医学设备和监测环境的新技术。Hui 和他的同事现在正在努力改进他们的 3D打印策略，以进一步促进其在现实世界中的大规模实施。

“我们现在将继续优化材料和方法，”Hui 补充道。“例如，关于具有分离结构的导电油墨的系统和理论研究仍然缺乏，这可能是进一步提高其导电性的关键。我们还计划设计和制造生物医学设备，并在动物身上验证它们的功能。”