植入生命體的電子器件，可以是柔軟而有溫度的。記者從西湖大學(xué)工學(xué)院獲悉，該院特聘研究員周南嘉團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種水凝膠支撐基質(zhì)和一種銀-水凝膠復(fù)合導(dǎo)電墨水，在通過(guò)3D打印制備出封裝內(nèi)部電路的一體化水凝膠電子器件，相關(guān)研究成果12月20日發(fā)表在國(guó)際期刊《自然-電子學(xué)》上。
“外來(lái)”的材料會(huì)被人體識(shí)別，產(chǎn)生一定的排異反應(yīng)，比如治療骨折用的鋼釘、種植用的牙齒，乃至材質(zhì)柔軟的人工耳蝸。面對(duì)電子器件進(jìn)入身體后的“尷尬”，水凝膠被科學(xué)家寄予厚望，因?yàn)樗瑫r(shí)具備柔韌性和良好的生物兼容性。
“水凝膠無(wú)處不在，比如隱形眼鏡、小朋友玩的水晶泥。”周南嘉介紹，傳統(tǒng)的水凝膠電子器件，就是用水凝膠把電路“包裹封裝”起來(lái)，在核心的電路部分，仍然是堅(jiān)硬的金屬。
研究團(tuán)隊(duì)此次突破點(diǎn)在于，把水凝膠電子器件中的金屬部分也“統(tǒng)一”成水凝膠的狀態(tài)。
研究團(tuán)隊(duì)首先在材料的設(shè)計(jì)方法上尋找突破，找到了海藻酸鈣-聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠并加以改造。據(jù)了解，將海藻酸鈣和聚丙烯酰胺合成一整塊水凝膠的方法，雖然常見但缺少靈活性。研究團(tuán)隊(duì)把這兩種水凝膠的固化分成了兩個(gè)獨(dú)立步驟——先固化海藻酸鈣，然后再“打碎”細(xì)化成為微凝膠微顆粒。
如此一來(lái)，這種凝膠顆粒中除了海藻酸鈣，還包含了丙烯酰胺單體、交聯(lián)劑和自由基引發(fā)劑，粒徑在20微米左右，可以作為“支撐基質(zhì)”。打印完成后，可再通過(guò)加熱引發(fā)聚丙烯酰胺的固化，讓電子器件最終定型。
水凝膠導(dǎo)電墨水制備過(guò)程示意圖（a）與水凝膠導(dǎo)電墨水打印示意圖（b） 科研團(tuán)隊(duì)供圖
微凝膠顆粒是流體狀態(tài)的，可以作為用來(lái)打印電子器件的“基質(zhì)”，那能否通過(guò)改造，讓這種微凝膠顆粒可以導(dǎo)電，用來(lái)打印電子器件的電路部分？經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，研究人員找到了突破點(diǎn)——將微凝膠顆粒與少量微米銀片以及添加劑混合，制成導(dǎo)電墨水材料。這種導(dǎo)電水凝膠墨水可以通過(guò)嵌入式打印的方法，在微凝膠顆粒的基質(zhì)中自由構(gòu)建具有三維結(jié)構(gòu)的柔性電路。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)制備了可用于提供電刺激的全水凝膠電極，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的手術(shù)纏繞在小鼠的坐骨神經(jīng)上。在1Hz頻率的脈沖式電壓刺激下，3D打印電極可在低達(dá)100mV的電壓下引起小鼠腿部的規(guī)律大角度運(yùn)動(dòng)。作為對(duì)照的離子導(dǎo)電水凝膠的電極，在250mV的驅(qū)動(dòng)電壓作用下也只可勉強(qiáng)引發(fā)小鼠腿部微小的運(yùn)動(dòng)。
西湖大學(xué)博士后、論文第一作者惠岳表示，這一套技術(shù)方法，可以在個(gè)性化定制可植入電子器件領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
