導   語 

柔性電子器件的誕生使得傳感器、致動器、微流體和電子器件在柔性、保形和可拉伸亞層上的設(shè)計照進現(xiàn)實，這能夠解決可穿戴、可植入以及可消化等康復領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題。然而，與人體組織相比，這些設(shè)備的機械和生物性能有很大的不同，因此難以與人體完美地合二為一。近日，一項研究開發(fā)了一種新型生物材料的3D墨水，它模仿了像皮膚一樣的高導電性人體組織的固有特征，這是對于康復領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的應(yīng)用是非常重要的。

01、研究背景

3D打印又稱增材制造 ，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。近些年，3D打印技術(shù)在康復領(lǐng)域的研究逐漸開展，3D打印技術(shù)這一新興技術(shù)正加速應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，包括骨科、神經(jīng)外科、矯形科、康復科、心內(nèi)科、皮膚科、口腔科等眾多科室。近日，一項研究開發(fā)了一種新型生物材料的3D墨水，它模仿了像皮膚一樣的高導電性人體組織的固有特征，這是對于康復領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的應(yīng)用是非常重要的。

該研究采用的生物材料利用了一種二硫化鉬(MoS2)的新型2D納米材料。MoS2的薄層結(jié)構(gòu)的中心含有缺口，這使其具有較高的化學活性，并可與明膠結(jié)合，產(chǎn)生一種可媲美果凍結(jié)構(gòu)的柔性水凝膠。

該項研究發(fā)表在《ACS Nano》上。

生物醫(yī)學工程系副教授Akhilesh Gaharwar博士表示:“這項工作對3D打印的影響是深遠的。新設(shè)計的水凝膠墨水具有高度的生物相容性和導電性能，為下一代可穿戴和可植入的生物電子產(chǎn)品鋪平了道路。”

02、 研究概述

該研究通過調(diào)節(jié)硫和鉬前驅(qū)體的比例以及水熱途徑合成了MoS2納米組件，在合成過程中，鉬與硫(硫脲)前驅(qū)體的比例從1:1到1:6不等，以調(diào)節(jié)缺陷密度。鉬以三角棱柱配位與6個硫原子結(jié)合，而硫以金字塔配位與6個鉬原子結(jié)合。這種配位幾何的結(jié)果是形成一個層狀結(jié)構(gòu)與連接三角棱鏡，導致層硫原子夾鉬原子。單獨的MoS2納米薄片形成一個分層的組裝成納米組件。通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察MoS2納米組裝體，團聚體的尺寸為約1μm。此外，對MoS2納米組件進行了x射線衍射(XRD)和x射線光電子能譜(XPS)測試，以驗證其六方2H相排列。MoS2納米組件(002、100、103、105和110)的衍射圖峰與六方MoS2重合。73-1508)，表明合成的納米組裝物純度高。用舍勒方程計算晶粒大小，結(jié)果顯示晶粒大小約為5.26 nm。對1:6MoS2納米組裝物進行XPS表征，Mo和S的峰被反卷積。這些研究證實了MoS2的化學成分保持不變，并在MoS2納米組件中形成2H相。

3D打印墨水的合成與制備方法

這種方法生產(chǎn)的墨水具有剪切稀釋特性，隨著力的增加粘度會下降，所以它在管內(nèi)是固體，但被擠壓時更像類似于番茄醬或牙膏一樣的流動的液體。該團隊將這些導電納米材料結(jié)合在一種改性明膠中，從而制造出一種水凝膠墨水，其特性對于設(shè)計有利于3D打印的墨水至關(guān)重要。

生物醫(yī)學工程系研究生、該論文的主要作者Kaivalya Deo表示：“這些3d打印設(shè)備具有極強的彈性，可以被壓縮、彎曲或扭曲而不斷裂，此外，這些設(shè)備是電子主動的，使它們能夠監(jiān)測人體的動態(tài)動作，為連續(xù)運動監(jiān)測鋪平了道路。”

凝膠的化學特性

為了3D打印材料，Gaharwar實驗室的研究人員設(shè)計了一種成本低、開源、多頭的3D生物打印機，該打印機不但功能齊全且可定制并可在開源工具和免費軟件上運行，這也使得任何研究人員可構(gòu)建3D生物打印機，以滿足他們自己的研究需求。

這種導電的3D打印水凝膠墨水可以創(chuàng)建復雜的3D電路，而且不局限于平面設(shè)計，使研究人員能夠根據(jù)患者的具體要求定制生物電子產(chǎn)品。

利用這些3D打印機，能打印出電活性和可拉伸的電子設(shè)備。這些設(shè)備具有非凡的應(yīng)變傳感能力，可用于工程定制監(jiān)測系統(tǒng)。這也為設(shè)計集成微電子元件的可伸縮傳感器提供了可能性。

墨水的電化學特性

03、研究意義

該研究提出了一種簡單和方便的制造柔性生物電子器件的全新納米工程3D打印墨水方法，并通過高彈性生物相容性的水凝膠網(wǎng)絡(luò)與混合電導率證明該方法的可行性。這些水凝膠復合材料是在沒有任何外部刺激或引發(fā)劑的情況下使用缺陷豐富的MoS2納米組件制備的，這些納米組件作為共價交聯(lián)和電子導電性的活性中心。MoS2納米組件的光響應(yīng)特性可用于設(shè)計3d打印的光驅(qū)動導電器件，并進一步用于生物醫(yī)學及康復領(lǐng)域。

這種新型墨水的潛在應(yīng)用之一是為帕金森氏癥患者3D打印電子探頭。研究人員設(shè)想這種打印的電子探頭可以監(jiān)測病人如震顫等運動情況。

圖片源自網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)容來源https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09386