我科学家首次实现水凝胶软电子器件3D打印

植入生命体的电子器件，可以是柔软而有温度的。记者从西湖大学工学院获悉，该院特聘研究员周南嘉团队开发了一种水凝胶支撑基质和一种银-水凝胶复合导电墨水，在全球范围内首次通过3D打印制备出封装内部电路的一体化水凝胶电子器件，相关研究成果12月20日发表在国际期刊《自然-电子学》上。

“外来”的材料会被人体识别，产生一定的排异反应，比如治疗骨折用的钢钉、种植用的牙齿，乃至材质柔软的人工耳蜗。面对电子器件进入身体后的“尴尬”，水凝胶被科学家寄予厚望，因为它同时具备柔韧性和良好的生物兼容性。

“水凝胶无处不在，比如隐形眼镜、小朋友玩的水晶泥。”周南嘉介绍，传统的水凝胶电子器件，就是用水凝胶把电路“包裹封装”起来，在核心的电路部分，仍然是坚硬的金属。

研究团队此次突破点在于，把水凝胶电子器件中的金属部分也“统一”成水凝胶的状态。

研究团队首先在材料的设计方法上寻找突破，找到了海藻酸钙-聚丙烯酰胺双网络水凝胶并加以改造。据了解，将海藻酸钙和聚丙烯酰胺合成一整块水凝胶的方法，虽然常见但缺少灵活性。研究团队把这两种水凝胶的固化分成了两个独立步骤——先固化海藻酸钙，然后再“打碎”细化成为微凝胶微颗粒。

如此一来，这种凝胶颗粒中除了海藻酸钙，还包含了丙烯酰胺单体、交联剂和自由基引发剂，粒径在20微米左右，可以作为3D打印的“支撑基质”。打印完成后，可再通过加热引发聚丙烯酰胺的固化，让电子器件最终定型。

水凝胶导电墨水制备过程示意图（a）与水凝胶导电墨水打印示意图（b） 科研团队供图

微凝胶颗粒是流体状态的，可以作为用来打印电子器件的“基质”，那能否通过改造，让这种微凝胶颗粒可以导电，用来打印电子器件的电路部分？经过反复试验，研究人员找到了突破点——将微凝胶颗粒与少量微米银片以及添加剂混合，制成导电墨水材料。这种导电水凝胶墨水可以通过嵌入式打印的方法，在微凝胶颗粒的基质中自由构建具有三维结构的柔性电路。

在此基础上，研究团队制备了可用于提供电刺激的全水凝胶电极，可以通过简单的手术缠绕在小鼠的坐骨神经上。在1Hz频率的脉冲式电压刺激下，3D打印电极可在低达100mV的电压下引起小鼠腿部的规律大角度运动。作为对照的离子导电水凝胶的电极，在250mV的驱动电压作用下也只可勉强引发小鼠腿部微小的运动。

西湖大学博士后、论文第一作者惠岳表示，这一套技术方法，可以在个性化定制可植入电子器件领域发挥重要作用。