西湖大学周南嘉陶亮合作《Nature E江南applectronics》：3D打印软水凝胶电子器件！

2024-05-13 16:28:22

　　江南体育为了实现可伸展性，电路和互连是通过将刚性导电材料图案化为蛇形几何形状或使用内在可伸展的导体。然而，弹性体和生物组织的力学和化学特性不匹配的情况不可避免地存在，这可能导致免疫反应，损害电子产品的功能。

　　基于水凝胶的电子器件可以与生物组织有内在的相似性，在生物医学应用中具有潜在的用途。理想情况下，这种水凝胶电子器件应该提供可定制的三维电路，但用现有的材料和制造方法制作封装在水凝胶基质中的复杂三维电路是具有挑战性的。

　　支撑基质具有屈服应力流体行为，因此移动打印机喷嘴产生的剪切力会产生暂时的流体状状态，从而可以在银水凝胶墨水电路和电子元件的基质中准确放置。

　　印刷后，整个矩阵和嵌入式电路可以在 60°C 下固化，形成柔软（杨氏模量小于 5 kPa）和可拉伸（伸长率约为 18）的单片水凝胶电子器件，而导电油墨表现出约1.4×10

　　相关研究成果以题为“Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics”发表在最新一期《

　　通过利用海藻酸盐-PAM双网络水凝胶的正交交联机制开发了一种可固化的水凝胶基质：海藻酸盐链与Ca

　　离子交联的凝胶粉碎、过滤和脱气，以产生平均直径约为20μm的透明的水凝胶微粒，并表现出屈服应力流体行为

　　；并将它作为EM3DP的支持基质（图1b）。接下来作者通过将准备好的支撑基质凝胶与5μm大小的Ag薄片以及和水溶性聚合物（例如聚乙烯吡咯烷酮）混合来开发导电油墨（图1a），

　　（图1b）。印刷后，水凝胶在60°C下加热以触发PAM的自由基聚合，固化整个基质和嵌入式电路（图1c（i），（ii）），Ag薄片在水凝胶中形成渗透通道，在墨水和基质之间没有观察到明显的接缝（图1c(iii)，(iv)）。如图1d所示，

　　固化后的嵌入电路的水凝胶可以承受较大程度的拉伸和扭曲，一旦应力消除，可以完全恢复到原来的形状

　　（图2b）。藻酸盐含量为0.99%的基质像液体一样流动，而藻酸盐含量为1.65%和2.31%的基质表现为凝胶（图2c）。考虑到其中间的流变特性，使用藻酸盐含量为1.65%的基质凝胶来制备导电油墨。将Ag薄片添加到基质凝胶中会增加其粘度（图2d）)，表明

　　。与原始基质凝胶相比，1.5×Ag墨水（Ag/水凝胶质量比=1.5）显示出大约十倍的粘度增加，而其剪切稀化行为保持不变。

　　（图2e）。作者通过优化打印参数，包括压力和喷嘴移动速度，可以精确控制打印出的墨丝宽度与喷嘴内径一致（图2f）江南app，并且

　　图3a、b比较了通过传统的一锅法（非粉碎）和本文方法（粉碎）制备的藻酸盐-PAM水凝胶在固定交联剂/单体质量比和不同藻酸盐含量下的拉伸应力-应变曲线%，未粉碎和粉碎水凝胶的拉伸杨氏模量分别从5.35增加到7.69kPa和从2.80增加到3.71kPa

　　水凝胶的交联剂/单体质量比从0.016%提高到0.082%会导致拉伸杨氏模量从3.05略微增加到3.30kPa，但λ从11.3大幅提高到19.5

　　（图4a（右红线））。结果，随着Ag/水凝胶质量比分别从0增加到0.5、1.0和1.5，分离的Ag-水凝胶复合材料的电导率从1.5×10

　　（图4b）。在相同的Ag/水凝胶质量比（0.5、1.0和1.5）下，具有随机分布的Ag薄片的Ag-水凝胶复合材料的电导率分别仅为6.9×10

　　。作者接下来表征了Ag-水凝胶复合材料在拉伸应变下的电性能（图4c）。作者使用0.5×Ag、1.0×Ag和1.5×Ag的油墨印刷了线mm的线性水凝胶电阻，显示初始电阻（R0）分别为246.5、10.9和3.7 Ω（图4d）。在慢速（5mm/s）循环拉伸试验（300%的应变）下，1.5×Ag电阻的R/R0值在前50个循环中从

　　作者制造了一系列不同的水凝胶电子设备：电阻传感器、配备曲率传感器的执行器、电感器和生物医学电极。

　　（图6a-k）。与现有的水凝胶电子产品制造方法相比，本文的材料和制造方法可提供高精度、可设计性和自动化。因此，该方法应该为用于诊断和治疗设备的柔软、可定制的3D水凝胶电子设备开辟新的设计可能性。

　　颗粒状的离子交联水凝胶表现出一种屈服应力的流体行为，使其能够适应具有高导电性（1.4×10

　　。当喷嘴产生的剪切应力大于屈服应力时，3D打印机喷嘴的运动会使水凝胶基质过渡到暂时的流体状态，然后再返回到固体状态。打印后，

　　一系列基于水凝胶的电子设备，包括应变传感器、配备曲率传感器的执行器、电感和生物医学电极。发光二极管（LED）和射频识别（RFID）芯片等电子元件也可以通过自动混合打印工艺轻易地纳入电路中，以扩大打印设备和电路的功能。

　　Meta Reality Labs研究：如何提高元宇宙的人机交互响应速率，实现对软体机器人的精密控制

　　武汉理工大学罗国强教授课题组《JMRT》：使用树脂基面密度梯度飞片实现在无冲击准等熵加载下应变率的调

　　《AMH》: 磁流体基靶向给药微纳米机器人小鼠体内实现肿瘤杀伤，摩方精密助力肿瘤治疗应用研发

　　北京大学李志宏教授课题组：基于医用胶带的无衬底可溶倒钩微针，可提高与皮肤附着力和药物递送效率

　　石河子大学王振华课题组《Water》：基于水-沙运动特性的分流对冲式滴灌灌水器抗堵性能优化

　　NTU佐藤裕崇/王一凡合作《Additive Manufacturing》：基于改性聚合物3D打印的

　　哈工大（深圳）马星团队和中科院刘志远研究员《Nature Electronics》: 基于可调塑性的

　　中南大学刘绍军和河北工业大学胡宁团队程立金《Additive Manufacturing》:3D打印

　　中物院唐昶宇团队和西南交大许阳光团队《Smart Mater. Struct.》:一种刚度增强三维内

　　北航文力课题组《Nature Communications》：基于超精密3D打印柔性传感的软体机器人