凝固浴輔助3D打印具有高分辨率和強生物電子器件基板附著力的PEDOT:PSS

供稿人：姚思琦、王玲 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室


近年來，由于PEDOT:PSS高度的生物相容性和優(yōu)良導電性，它被廣泛應用于儲能、柔性電子、以及最近的生物電子等領域。相比于傳統(tǒng)制造技術，3D打印成本低，在制造過程中需要最少的人工干預，然而目前報道的可3D打印PEDOT:PSS方案較少�；�于此，西湖大學周南嘉博士團隊報道了一種不使用有機溶劑，在室溫下用凝固浴輔助直寫成型（DIW）技術制備PEDOT:PSS，并描述了一種簡單的后處理方法，使其在各種基底上具有強附著力。

研究人員探索出一種適用于PEDOT:PSS的高分辨率3D打印方法，將濃縮的PEDOT:PSS液體油墨通過DIW噴嘴擠壓，當打印到十二烷基苯磺酸(DBSA)凝固浴時，立即凝結(jié)成自支撐的凝膠。 為實現(xiàn)最佳打印方式，凝固浴中DBSA的濃度和PEDOT:PSS的濃度是兩個顯著的變量，可打印PEDOT:PSS油墨濃度需超過3%，10%濃度的DBSA凝固浴適合圖案印刷。 打印速度和噴嘴壓力是影響合成水凝膠絲性能的兩個主要因素，在直徑為100μm的固定噴嘴下，研究人員測試了印刷速度和壓力對擠出長絲直徑的影響。

圖1 凝固浴輔助3D打印工藝參數(shù)研究

研究人員為驗證基于凝固浴打印的PEDOT:PSS作為生物兼容電子器件的基本屬性，分別研究了機械彎曲對打印的PEDOT:PSS電性能的影響、測試其電化學性能及其在生理條件下的長期穩(wěn)定性以及通過30×5mm矩形試樣的拉伸試驗表征PEDOT:PSS水凝膠的力學性能。結(jié)果表明打印PEDOT：PSS的優(yōu)越柔軟性和高導電性可能在生物電子設備和植入物中具有巨大的潛力，特別是在神經(jīng)調(diào)節(jié)治療中。

圖2 凝固浴輔助直寫成型技術亮點及應用

進一步的，研究人員選擇改變凝固浴的組成成分，以提高PEDOT:PSS水凝膠的力學性能，并通過簡單的基材處理和后處理，實現(xiàn)了PEDOT:PSS對多種基材的強附著力。最后打印了一個皮質(zhì)級神經(jīng)接口，使用打印的PEDOT:PSS電極陣列進行全程監(jiān)測，接口在植入三個月后仍然完好無損，這表明電極陣列在生理環(huán)境中經(jīng)歷了最小程度的退化，證明了神經(jīng)界面的長期穩(wěn)定性。

這種基于凝固浴的DIW技術為高分辨率、多材料柔性電子和生物電子的快速創(chuàng)新開辟了大量的新途徑。此外，在水條件下對多種基材的強附著力使多功能生物電子器件的多材料制造成為可能。
參考文獻：

    鄭毅，王毅，張飛，等。 凝固浴輔助 3D 打印 PEDOT:PSS 的高分辨率和強基板附著力用于生物電子器件 [J]. 先進材料技術，2022。