Nature Electronics封面報道了這項研究
2084年，盡管你已經(jīng)年近百歲，但抗衰老藥物讓你依然皮膚緊致，活力滿(mǎn)滿(mǎn)。而此時(shí)的腦機接口技術(shù)已經(jīng)相當成熟，通過(guò)它，你用意念控制著(zhù)你的股票交易賬號。這也許是一段科學(xué)幻想，生命真的能和電子器件連接嗎？生命是柔軟的，但機器是堅硬的。傳統的電子器件，質(zhì)硬而干燥，在人體內可能造成免疫反應。柔軟的水凝膠被認為是目前解決這一問(wèn)題的最佳候選材料，但目前仍缺乏一種可以在水凝膠基體中高效構建可定制化柔軟電路的方法。這次，西湖大學(xué)從根本上提出全新思路，讓電子器件部分也可以像水凝膠一樣柔軟，并且自由打印。此項技術(shù)由西湖大學(xué)周南嘉團隊開(kāi)發(fā)，包括一種水凝膠支撐基質(zhì)和一種銀-水凝膠復合導電墨水。
打印中的水凝膠電路模型
作為生物體的人類(lèi)和外界物質(zhì)連接的歷史，是一段痛苦和曲折的歷史。
在美國俄克拉荷馬州的骨學(xué)博物館，有一枚2000年前秘魯武士的頭骨，骨頭上被植入了一塊金屬板，也許是來(lái)自一次受傷后的修復，那時(shí)的人類(lèi)就想用外界材料來(lái)“修補”人體。
被植入過(guò)金屬塊的秘魯武士頭骨“外來(lái)”的材料會(huì )被人體識別，產(chǎn)生一定的排異反應。比如骨折后的鋼釘、種植的牙齒，這些最常見(jiàn)的植入中，人體都有可能產(chǎn)生排異。再比如人工耳蝸，即便是硅膠這類(lèi)的柔軟材質(zhì)，也可能有排異反應，出現水腫、觸痛或瘙癢。2013年12月18日，一枚人造心臟被植入了一位76歲法國老人的胸腔。這是世界上首例人造心臟移植手術(shù)，盡管這顆人造心臟采用了一些抗排異的材料，但還是在75天后停止了跳動(dòng)，原因是“電路短路”。面對電子器件進(jìn)入身體后的“尷尬”，水凝膠（Hydrogel）被寄予厚望，因為它同時(shí)具備了柔軟的韌性和良好的生物兼容性。如果你是一枚吃貨，凝膠態(tài)的物質(zhì)你一定很熟悉——果凍、涼皮、豆腐、珍珠奶茶里的珍珠。水凝膠無(wú)處不在，它可以是隱形眼鏡，也可以是小朋友玩的水晶泥。專(zhuān)業(yè)地說(shuō)法，水凝膠是由親水性聚合物鏈通過(guò)化學(xué)或物理交聯(lián)而形成的三維網(wǎng)絡(luò )。它可以充分吸水而不溶于水，質(zhì)地柔軟，物理性質(zhì)和生物組織類(lèi)似，具有良好的生物相容性。傳統的水凝膠電子器件，一般分為水凝膠基質(zhì)以及金屬電路和電子元件這兩部分，通俗的講，就是用水凝膠把電路“包裹封裝”起來(lái)。但是在核心的電路部分，依然采用的是堅硬的金屬。周南嘉研究團隊這次的突破正是在于，把金屬部分也“統一”成水凝膠的狀態(tài)，化堅硬為柔軟。團隊在材料的設計方法上尋找突破，找到了海藻酸鈣-聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò )水凝膠加以改造。海藻酸鈣-聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò )水凝膠是一種常用的高拉伸性高韌性水凝膠。海藻酸鈉可與鈣離子形成離子交聯(lián)，而聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò )則由丙烯酰胺單體和交聯(lián)劑共價(jià)交聯(lián)生成。共價(jià)交聯(lián)可以理解成通過(guò)共享電子來(lái)結合，這是一種非常牢固的方式。
海藻酸鈣-聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò )水凝膠具有極強的拉伸韌性
但之前常用的方法，海藻酸鈣和聚丙烯酰胺是通過(guò)一步法合成出一整塊水凝膠，缺少靈活性。
而研究團隊把這兩種水凝膠的固化分成了兩個(gè)獨立步驟——先固化海藻酸鈣，然后再“打碎”細化成為微凝膠微顆粒。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3D打印的“墨水”。打印完成后，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。
在尚未固化的水凝膠基質(zhì)中自由打印電路
微凝膠顆粒是流體狀態(tài)的，可以用來(lái)打印電子器件的“基質(zhì)”，那能否加以改造，讓這種微凝膠顆粒可以導電，用來(lái)打印電子器件的電路部分？這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)異想天開(kāi)，但接下來(lái)探索的過(guò)程更為神奇。
經(jīng)過(guò)反復試驗，團隊人員找到了突破點(diǎn)——將微凝膠顆粒與少量微米銀片以及添加劑混合，制成導電墨水材料。實(shí)際上，關(guān)于微米銀片和微凝膠顆粒的混合比例，以及其他助劑等，研究團隊嘗試過(guò)非常多次，最終找到了一個(gè)性能最佳的配比。這種導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)中自由構建具有三維結構的柔性電路。
在電子顯微鏡下，微米銀片像毛細血管一樣分布在微凝膠顆粒間的縫隙里，形成一張3D的柔軟網(wǎng)絡(luò )，電流得以在這樣的結構中自由流動(dòng)。由于銀片主要被限制在水凝膠微顆粒的界面上，該墨水電導率可高達1.4x103S/cm。
（a）水凝膠導電墨水制備過(guò)程示意（b）水凝膠導電墨水打印示意因為“本是同根生”，水凝膠基質(zhì)和水凝膠導電墨水，在3D打印機器中，配合起來(lái)更加“默契”。水凝膠導電墨水可以與周?chē)乃z支撐基材實(shí)現良好的共價(jià)交聯(lián)，從而實(shí)現超高的拉伸性。如此一來(lái)，水凝膠電子器件的所有組成部分，都是柔軟的，包括電路部分和基質(zhì)部分。而所有的這些材料，在3D打印之前都是流體，打印完成之后，通過(guò)熱引發(fā)水凝膠基質(zhì)中的丙烯酰胺共價(jià)聚合，可以得到封裝了內部電路的一體化水凝膠電子器件。一顆“柔軟的心”，必須要能夠經(jīng)過(guò)層層檢驗。目標為了驗證這套方法的實(shí)際效果，周南嘉團隊“小心翼翼”地制作了一些實(shí)驗模型加以驗證。團隊首先制備了具有不同匝數的二維電感和不同直徑的三維螺線(xiàn)管電感器件，在200 kHz的測試頻率下，所制備的水凝膠電感器件的電學(xué)性能與模擬值基本吻合，證明了這一方法具備制作精細電路的能力。隨后，團隊人員嘗試打印了貼片式水凝膠電感器件，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式點(diǎn)亮紅光LED燈珠，且在拉伸情況下依舊可以工作。此外，RFID（射頻識別，一種非接觸式的數據通信）水凝膠器件也可通過(guò)嵌入式3D打印的方式得到。通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式點(diǎn)亮紅光LED燈珠
為了進(jìn)一步驗證所開(kāi)發(fā)的嵌入式3D打印的高度自動(dòng)化程度，團隊人員利用了業(yè)界常用的pick-and-place（ 拾取—放置）方式將有源LED器件置入水凝膠支撐基質(zhì)中，并且實(shí)現了直接與LED連接的三維電感打印——也就是打印一個(gè)導電線(xiàn)圈，并可以利用電磁場(chǎng)接收能量，產(chǎn)生電壓，讓LED發(fā)光。通過(guò)對有源LED器件進(jìn)行表面修飾，整個(gè)器件可以產(chǎn)生強韌的共價(jià)交聯(lián)，在一百次拉伸和壓縮大應變情況下可保持有效工作。
pick-and-place（ 拾取—放置）方式將有源LED器件置入水凝膠支撐基質(zhì)中
團隊人員還利用這套方法制備了厘米尺寸的全水凝膠心電圖電極。由于水凝膠基質(zhì)和墨水良好的柔性，水凝膠電極的電子導電部分可以直接很好地貼敷在人體皮膚表面，從而可以有效的降低阻抗，使得3D打印電極展現出比傳統商用電極更高的分辨率。
而這套方法的“終極目標”，就是和生命體進(jìn)行直接的“連接”，而這一點(diǎn)也在小鼠實(shí)驗上得到了非常成功的效果。實(shí)驗團隊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100mV的電壓下引起小鼠腿部的規律大角度運動(dòng)。而作為對照的離子導電水凝膠的電極則在250mV的的驅動(dòng)電壓作用下也只可勉強引發(fā)小鼠腿部微小的運動(dòng)。
相比“堅硬冰冷”的金屬電極，周南嘉團隊“柔軟”的策略更讓人眼前一亮。從最初的想法到最終的技術(shù)實(shí)現，研究團隊走了將近兩年時(shí)間。之所以能產(chǎn)生不同的突破，與研究團隊在水凝膠材料和3D打印制造方法上的長(cháng)期積累密不可分。西湖大學(xué)博士后、本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。也許在2084年，和你生命連接的電子儀器，是柔軟而有溫度的，而技術(shù)的源頭在2022年的一次突破和嘗試中。*本文共同通訊作者為西湖大學(xué)PI周南嘉和陶亮、博士后惠岳，共同第一作者為西湖大學(xué)助理研究員姚遠。本項研究特別感謝西湖大學(xué)物質(zhì)科學(xué)公共實(shí)驗平臺。研究成果以“Three-dimensional printing of soft hydrogel electronics”為題，于2022年12月20日凌晨以封面文章的形式刊登在 Nature Electronics上。第一單位為西湖大學(xué)工學(xué)院，浙江省3D微納加工和表征研究重點(diǎn)實(shí)驗室，西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心，文章所有作者均來(lái)自西湖大學(xué)。
