丹麥奧胡斯大學：醫(yī)用3D打印導電水凝膠

來源：增材之光

導讀：丹麥奧胡斯大學工程系的Shweta Agarwala在最近發(fā)表的“用于保健的電子導電水凝膠：概念、制造方法和應用”中，研究了醫(yī)學領(lǐng)域的3D打印技術(shù)，并對導電水凝膠進行了綜述。

隨著3D打印開始滲透到主流中，汽車、航空航天和建筑等行業(yè)受到了積極的影響?，F(xiàn)在，隨著科學家繼續(xù)在生物打印領(lǐng)域取得長足的進步，醫(yī)學應用已經(jīng)超越了3D模型和設(shè)備。支架是組織工程中常用的結(jié)構(gòu)，具有多種不同的水凝膠。如今，它們具有廣泛的應用，從智能穿戴設(shè)備到生物傳感器、植入物和渠道，再到傷口處理。

由于以下原因，水凝膠在研究和其他應用中具有吸引力：
•理想的細胞外基質(zhì)（ECM）
•細胞支持
•生物相容性
•天然和合成親水性聚合物鏈可提供高吸水率

盡管水凝膠已在組織工程中找到了利基應用，但它們本質(zhì)上是固有的絕緣性。最近的研究表明，水凝膠不僅具有支持生物物種的必要特性，而且如果經(jīng)過修飾，還可以與電路連接。因此，對導電水凝膠的研究在諸如健康記錄電極等方面得到了廣泛的關(guān)注。

導電水凝膠，其成分和應用的示意圖

Agarwala指出，通常，與水凝膠相關(guān)的電導率是離子電導率。

制備導電水凝膠的復合材料及其電導率的概述

在這種情況下，增材材料對整體電導率的貢獻很小。但是，最近在這個方向上的研究工作已顯示出從增材材料中誘導導電性的希望。

雖然最常用于與水相容的導電材料的方法是使用超聲波能量或加熱，但還有其他五種方法可用：

1.將具有交聯(lián)劑的水凝膠單體與納米顆粒凝膠在一起。
2.膠凝后，納米顆粒物理嵌入水凝膠基質(zhì)中。
3.將納米顆粒前體裝載到凝膠中。
4.使用納米顆粒交聯(lián)形成水凝膠。
5.水凝膠是使用納米粒子、聚合物和其他分子形成的。

描述合成導電水凝膠的各種方法的示意圖：（A）具有交聯(lián)劑的水凝膠單體和膠凝化的納米顆粒；（B）在凝膠化之后將納米顆粒物理地嵌入水凝膠基質(zhì)中；（C）由水凝膠網(wǎng)絡(luò)輔助的反應性納米顆粒形成，其中納米顆粒前體負載在凝膠中；（D）使用納米粒子交聯(lián)以形成水凝膠；（E）使用納米顆粒，聚合物和其他分子形成水凝膠。

3D打印的最大好處之一是，用戶不僅可以創(chuàng)建更復雜的幾何圖形，還可以在設(shè)計和定制方面享有極大的自由度，并且可以更快地完成項目并根據(jù)需要進行更改。所有這些好處都適用于為何3D打印導電水凝膠如此大量增加的原因。

技術(shù)通常依靠剪切稀化，使它們隨著使用壓電頭的壓力而流動。

壓電材料在施加電壓或電流時會變形。因此，可以通過改變施加到打印頭的電壓來控制孔板開度。噴墨打印會產(chǎn)生小的液滴（亞微米量），這些液滴會沉積在表面上。材料沉積量小，相對于通過擠壓而產(chǎn)生的大量材料噴射，有助于打印高分辨率的結(jié)構(gòu)和支架。油墨開發(fā)被認為是3D打印最重要的方面之一。水凝膠油墨需要具有正確的流變性，才能滿足定向過程的物理和機械需求。

（A）3D生物繪圖系統(tǒng)（B）數(shù)字光投影儀（DLP）3D打印系統(tǒng)到3D打印導電水凝膠支架的草圖，以及（C）立體光刻工藝的草圖。

這樣的水凝膠具有在傳感器技術(shù)、藥物輸送系統(tǒng)和組織工程中使用的潛力。從石墨烯-殼聚糖到二氧化硅納米顆粒，二氧化硅氧化鋁，也已經(jīng)使用了多種復合材料，但研究人員指出，由于涉及許多挑戰(zhàn)，這種制造的商業(yè)化“距離還很遙遠”。

這些材料無法遵循原始設(shè)計模型，因為打印結(jié)構(gòu)無法保留原始形狀。實現(xiàn)功能梯度和層次屬性也具有挑戰(zhàn)性，正在開發(fā)新的設(shè)計方法來解決這些問題。

導電水凝膠領(lǐng)域仍然充滿著尚未解決的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此為該領(lǐng)域的研究人員提供了發(fā)展的機會，因為該領(lǐng)域的發(fā)展已超出早期階段。水凝膠電導率的改善可能是一個研究方向，而結(jié)合新功能如生物降解性和機械強度可以為應用開辟新途徑。在制造方法上也需要創(chuàng)新，以使水凝膠的各種成分以所需的方式沉積。