SCI期刊《先進材料技術》:蘭卡斯特大學將3D打印電子器件集成到活組織中

導讀：電子產品及其部件的制造和微型化發(fā)展，使我們的生活發(fā)生了革命性的變化。電子設備在我們的日常生活中無處不在，并成為世界各國經濟成功的基礎、 由于各種原因，有機導體和半導體（例如，碳納米管的衍生物、石墨烯、共軛聚合物等）在這些設備中發(fā)揮著越來越重要的作用。世界各地的電子產品中使用的集成電路,例如，用于包括但不限于放大器、邏輯單元、傳感器等的應用通常是以層壓方式批量生產的。如今，制造帶有集成電子器件的3D產品已成為一個火熱的研究方向，以期發(fā)展柔性電子。


2023年3月，南極熊獲悉，英國蘭開斯特大學的一個項目開發(fā)了一種3D打印方法，可以將由導電聚合物制成的柔性電子產品整合到生物相容性組織中。他們的研究成果已經發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》上，題目為《Creating 3D Objects with Integrated Electronics via Multiphoton Fabrication In Vitro and In Vivo》

●這種集成電子器件的三維物體是利用多光子制造原理（直接激光寫入，（DLW））的增材制造方法生產的。基于導電聚合物的結構（具有微米級的特征）被打印在示范基質中，這是一種彈性體（聚二甲基硅氧烷，（PDMS）），已被廣泛研究用于生物醫(yī)學應用。

●研究人員還通過光學相干斷層掃描評估了PDMS中打印過程的保真度，并證明導電聚合物結構能夠在體外刺激小鼠腦組織。

●此外，該方法在活的線蟲（Caenorhabditis elegans）體內打印結構的適用性被證明。

這些結果突出了這種增材制造方法在生產下一代先進材料技術方面的潛力，特別是用于技術和醫(yī)療應用的集成電子器件。

研究內容：

●集成在三維物體中的基于導電聚合物的電子器件的增材制造 ：
研究人員首先使用780nm的 Nanoscribe 3D 打印機直接在 PDMS 矩陣內 3D 打印電路，并證明導電聚合物可以通過將其連接到體外小鼠大腦切片。該電路成功地刺激了組織中的神經元反應。



集成在柔性基材中的打印電子器件，在技術應用（如顯示技術）和醫(yī)療應用（如用于與中樞/外周神經系統(tǒng)互動的病人特定的可植入電極）方面具有巨大潛力。打印集成在形狀記憶聚合物材料中的導電聚合物結構可能有助于開發(fā)開關、神經袖套電極等，并且通過在光學透明的SMP（形狀記憶聚酰亞胺，圖S6，支持信息）薄膜中/上打印PPY結構，證明有可能實現(xiàn)此類應用。

●集成在三維物體中的導電聚合物電子器件的增材制造在體內進行：
在體內試驗，該項目將類似的導電結構直接3D打印到線蟲中，這是完整加工順序（墨水配方、激光曝光和打印）與活生物體相容的首次證明。這需要考慮潛在的毒性和關鍵的激光參數(shù)，以便采用聚合所需的盡可能低的激光功率。



在復雜的環(huán)境中（這里是蠕蟲的身體），打印的準確性和精確度也會下降。因此，在將該方法轉化為較厚的脊椎動物/人體組織時，可能需要采用適應性光學的糾正策略來規(guī)避該問題；盡管如此，這代表了在體內打印非導電結構的例子中的技術飛躍。

結論
本研究報告了應用多光子制造工藝創(chuàng)建具有集成電子器件的3D物體：對墨水成分進行硅學毒性篩選，確定可能的細胞相容性配方；通過透光材料進行3D打印，產生分辨率高的導電微米級特征；刺激3D打印的PPY結構與活體腦組織連接，可以誘發(fā)特定的突觸反應；并且可以直接在體內3D打印PPY結構。

研究人員展示了一系列由這種技術驅動的制造（工業(yè)4.0）工藝制造的例子，包括PDMS薄膜和一個生物體（C. elegans）；并強調了潛在的應用，如能夠刺激神經組織的電極�？梢院侠眍A測，這項技術在以人為本的設計和定制制造（工業(yè)5.0）過程中的巨大潛力，用于生產遠程醫(yī)療的生物電子產品，這代表了在現(xiàn)場直接打印生物醫(yī)學應用的電子設備的可行性。

從長遠來看，相信這種方法能夠加速發(fā)現(xiàn)、制造和部署由增材制造方法產生的先進材料技術中使用的復雜復合材料，例如，組件選擇和成分調整，以實現(xiàn)最佳性能和設備性能。通過這種技術生產的電子產品的潛在技術優(yōu)勢包括：更準確的定位（刺激/記錄的細胞更少），以盡量減少不利影響（如組織損傷、免疫反應/炎癥），提高特異性、效率和有效性，同時在更多的部位進行刺激或記錄，并優(yōu)化信號與噪音的比值，這樣的特性在可植入生物電子裝置的設計中具有臨床意義。

原文下載鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202201274