水凝膠(Hydrogel)是一類極為親水的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)凝膠，它在水中迅速溶脹并在此溶脹狀態(tài)可以保持大量體積的水而不溶解。由于存在交聯(lián)網(wǎng)絡，水凝膠可以溶脹和保有大量的水，水的吸收量與交聯(lián)度密切相關。交聯(lián)度越高，吸水量越低。這一特性很像一種軟組織。水凝膠中的水含量可以低到百分之幾，也可以高達99%。凝膠的聚集態(tài)既非完全的固體也非完全的液體。固體的行為是一定條件下可維持一定的形狀與體積，液體行為是溶質(zhì)可以從水凝膠中擴散或滲透。
水凝膠是三維 (3D) 聚合物網(wǎng)絡，不溶于水但保留大量液體。由于這種有利的特性，水凝膠是生物醫(yī)學和環(huán)境應用中特別有前途的材料平臺，因為它們可以在體液或潮濕的自然環(huán)境中存活而不會消散。
在過去十年中，工程師和材料科學家一直在開發(fā)大量基于軟水凝膠的電子設備，包括環(huán)境和生物醫(yī)學傳感器、藥物輸送設備和人造組織。盡管這些基于水凝膠的設備具有巨大的潛力，但它們的廣泛應用迄今一直受到其高生產(chǎn)成本的阻礙。
由西湖大學周南嘉博士和中國西湖高等研究院領導的研究團隊最近推出了一種新策略，可實現(xiàn)軟水凝膠電子器件的 3D 打印。他們的方法在Nature Electronics上發(fā)表的一篇論文中介紹，可以幫助降低許多基于水凝膠的設備的生產(chǎn)成本，包括應變傳感器、電感器和生物電極。
“我們選擇研究水凝膠的生產(chǎn)，因為雖然目前大多數(shù)軟電子產(chǎn)品都是基于柔性彈性體和聚合物，但不可否認的是，水凝膠與人體更相似，可能會導致更好的組織整合和更少的免疫反應，”Yue Hui 博士說，進行這項研究的一位研究人員告訴 TechXplore。“正如之前的研究表明的那樣，我們認為水凝膠是創(chuàng)造未來醫(yī)療保健電子設備的有前途的候選者?！?/p>
Hui 和他的同事最近研究的主要目標是設計一種有效的策略來制造越來越復雜和生物醫(yī)學上有用的水凝膠電子產(chǎn)品。他們提出的方法基于 3D打印技術，特別是利用基于水凝膠的支撐基質(zhì)和可拉伸的銀水凝膠墨水。
“我們開發(fā)的嵌入式 3D 打印方法涉及將導電水凝膠墨水自由打印到水凝膠支撐基質(zhì)中，隨后將兩部分固化以形成柔軟且可拉伸的電子設備，”Hui 解釋道?！斑@些都是基于基質(zhì)和墨水合適的流變特性，以及海藻酸鹽和聚丙烯酰胺的正交固化機制，它們是水凝膠的主要成分?！?/p>
研究人員發(fā)現(xiàn)，將導電填料(即銀薄片)與顆粒狀凝膠顆粒結(jié)合會導致在導電 3D 打印墨水中形成隔離結(jié)構(gòu)。這種墨水表現(xiàn)出超過 1,400 S/cm 的卓越電導率。
為了證明他們提出的策略的可行性，Hui 和他的同事用它來創(chuàng)建一系列基于水凝膠的電子產(chǎn)品，包括應變傳感器、電感器和生物電極。由此產(chǎn)生的設備被發(fā)現(xiàn)性能非常好，表明這種方法可用于創(chuàng)建一系列新的基于水凝膠的技術。
“正如我們在論文中所展示的那樣，我們的方法可用于制造具有不同功能的各種水凝膠電子設備，”Hui 說?！疤貏e是，我們可以直接打印可以與外界通信的外露電極，我們可以通過打印將 LED 和芯片等組件集成到電路中。我們的研究結(jié)果表明，通過精巧的設計，我們可以真正制造出功能性水凝膠電子設備?！?/p>
未來，這組研究人員最近的工作可以制造出更復雜、更精密的基于水凝膠的電子產(chǎn)品，包括生物醫(yī)學設備和監(jiān)測環(huán)境的新技術。Hui 和他的同事現(xiàn)在正在努力改進他們的 3D打印策略，以進一步促進其在現(xiàn)實世界中的大規(guī)模實施。
“我們現(xiàn)在將繼續(xù)優(yōu)化材料和方法，”Hui 補充道?！袄?，關于具有分離結(jié)構(gòu)的導電油墨的系統(tǒng)和理論研究仍然缺乏，這可能是進一步提高其導電性的關鍵。我們還計劃設計和制造生物醫(yī)學設備，并在動物身上驗證它們的功能?！?/p>
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