如今，電子器件正在從傳統剛性材料向柔性、可拉伸材料過渡。尤其是後者近年來正在飛速發展，并且有望在未來的可穿戴、植入、健康檢測、人機接口等領域産生巨大變革。

　　作為一種特殊的軟材料，水凝膠材料由于本身的特性，如柔軟、高含水量、良好的生物相容性等，在生物醫學領域具有天然的優勢。

　　（來源：西湖大學）

　　近日，西湖大學周南嘉團隊自主開發了一系列新材料和工藝，包括水凝膠打印基質、水凝膠導電墨水等，第一次實現了高性能水凝膠電子器件的 3D 打印。

　　相比于傳統方法，該方法展現了超高的三維制造自由度和自動化程度，可用于制備多種高性能的水凝膠電子器件。

　　圖丨相關論文（來源：Nature Electronics）

　　12 月 19 日，相關論文以《軟水凝膠電子的三維打印》（Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics）為題發表在 Nature Electronics 上[1]，并被選為當期封面論文。

　　該論文共同通訊作者為西湖大學工學院特聘研究員周南嘉、西湖大學生命科學學院特聘研究員陶亮、西湖大學博士後惠嶽（現澳大利亞阿德萊德大學博士後），論文共同第一作者為惠嶽和西湖大學博士後姚遠（現西湖大學工學院助理研究員）。

　　圖丨惠嶽（來源：惠嶽）

　　水凝膠電子器件作為一種新的柔性電子概念，無論其制備工藝還是材料都存在較大的提升空間。目前，有關于水凝膠電子器件的報道仍十分有限，且文獻中主要采用直接包埋金屬線、或預留腔道灌注液态金屬的方法來構造電路。

　　這些方法在構建複雜三維結構電路、與有源器件（如 LED 等）的融合、以及與外部環境互動上依然存在較大困難。

　　（來源：Nature Electronics）

　　正是在這樣的背景下，該團隊看到了水凝膠電子器件在未來的柔性電子科研領域和商業市場中的發展潛力。但由于其材料本身難以加工的劣勢，制備個性化、功能化和三維化的水凝膠電子器件仍然十分困難。

　　結合自身的經驗和專長，該課題組瞄準了這一痛點，選擇利用 3D 打印技術解決這個問題，并且得到了“意想不到”的結果。

　　在該研究中材料的開發過程，尤其是導電墨水的開發十分關鍵。在以往的水凝膠電子器件制備中，研究人員通常采用現成的金屬導線或液态金屬構建導電通路，這些材料雖具有良好導電性能，但可加工型較低，尤其是無法用于 3D 打印。

　　而之前報道過的用于彈性體 3D 打印中的導電墨水，如碳油、銀-聚氨酯複合材料等，通常因具有導電率低或無法與水凝膠基質進行共價融合等問題，無法實現較好的力學和電學穩定性。

　　可以說，在此之前并沒有現成的導電墨水适合用于水凝膠電子器件的 3D 打印。為此，該團隊參考了大量文獻，最終決定采用隔離結構 （segregated structure）的設計思路。

　　這使得導電載體（銀微米片）之間的接觸可以更加緊密，從而在相同導電載體含量的情況下實現更高的電導率。

　　圖丨制備水凝膠電子器件（來源：Nature Electronics）

　　據悉，由于該方法幾乎從未被用于制備水凝膠導電複合材料，研究人員隻得通過反複的實驗、表征和配方優化，用了幾乎半年時間才開發出了打印性良好、導電率高、且可以與水凝膠基質共價交聯的水凝膠導電墨水。

　　惠嶽表示，團隊創新性地提出通過改進傳統的海藻酸鈣-聚丙烯酰胺雙網絡水凝膠合成方式和銀-水凝膠複合導電墨水的混合方式，成功制備了性能優越且可調控的水凝膠支撐基質和導電墨水，從而首次實現了具有三維電路結構的水凝膠電子器件進行嵌入式 3D 打印。

　　其中，該團隊所開發的可打印水凝膠導電墨水具有高達 1400S/cm 的電導率，超過了目前其他文獻中所報道過的水凝膠導電複合材料。此外，該方法的顯著優勢還在于材料易于制備且價格低廉，這使為其推廣創造了天然的有利因素。

　　（來源：西湖大學）

　　相比于傳統方法，該方法的獨特性之一體現在其十分易于制備可以與外部環境進行交互的水凝膠電子器件。“在論文中，我們展示了可以直接與測試儀器、有源電子器件、甚至生物組織相連接/貼合的水凝膠電子器件，這些器件不需要額外的引線便可以工作。”惠嶽說道。

　　在該研究中，他們利用所開發的技術制造了一系列具有不同功能的水凝膠電子器件，包括電阻式拉伸傳感器、可用于無線供能的水凝膠線圈、以及可用于心電信号采集和小鼠坐骨神經刺激的生物電極等。

　　其中，生物電極由于同時具備高電導率和良好的柔性，使得其展現出了比傳統商業心電信号電極或離子導電水凝膠電極更好的效果。惠嶽表示：“我們推測由于打印水凝膠電極和生物組織之間具有更小的阻抗，與此同時也初步體現出了水凝膠電子器件在生物應用上的優勢。”

　　圖丨小鼠坐骨神經刺激實驗裝置示意圖，水凝膠電極包裹在神經上的放大示意圖 （來源：Nature Electronics）

　　雖然目前市場上還沒有大規模出現對于三維電子器件的需求，但該團隊制備了一種具有三維結構的螺線管-LED 器件，并展示了三維電子器件的可能性。該器件在受到正向和側向壓力時的電學響應截然不同，并且可以通過 LED 的明暗變化被實時檢測。

　　惠嶽指出，這在生物體内（比如作為人工半月闆）十分有意義，因為生物組織可能會受到來自不同方向的壓力，而對這些各向異性的力進行檢測則是目前二維平面電子器件難以做到的。

　　總體來說，該研究是一項創新性工作。這與周南嘉博士以及課題組在微電路、水凝膠、柔型器件等的 3D 打印（包括材料、工藝、設備等）領域長期經驗和成果的累積密不可分（以往報道：西湖大學周南嘉團隊有望“颠覆”光電精密制造，世界首家用3D打印解決微電子加工難題的公司）。

　　圖丨實際打印出的器件和實際實驗照片（來源：西湖大學）

　　接下來，該團隊将基于現有技術繼續推進水凝膠電子器件研究工作。目前，他們正在開發更适用于生物體内環境的新型水凝膠材料，尤其是在生理環境下不溶脹、長期穩定或者可以降解的水凝膠，以最終達到體内應用目的。

　　該團隊認為，水凝膠電子器件在未來個性化醫療檢測和治療領域擁有極大前景，并且已經為此次報道的技術申請了國家專利。

　　當然，該技術在最終實現臨床應用之前仍有一些問題需要解決，這也是該團隊未來努力的方向。他們期待未來與柔性電子、軟材料和具有相關臨床經驗的團隊建立合作，以更快地推進該技術的進步和轉化。

　　參考資料：

　　1.Hui, Y., Yao, Y., Qian, Q. et al. Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics. Nature Electronics 5, 893–903 (2022). htt

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