發(fā)明導(dǎo)電聚合物墨水，首次實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物的高精度3D打印

眾所周知，大腦是我們最脆弱的器官之一，就如同最柔軟的豆腐。但是，大腦植入物通常由金屬和其他剛性材料制成，隨著時(shí)間的流逝會(huì)導(dǎo)致炎癥和疤痕組織的積聚。有沒有更好的替代材料呢？日前，MIT趙選賀教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種3D打印神經(jīng)探針和其他電子設(shè)備的方法，而且它們像橡膠一樣柔軟靈活。研究成果已發(fā)表在Nature Communications上，題為“3D printing of conducting polymers”。

這項(xiàng)研究工作由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系、江西科技師范大學(xué)柔性電子創(chuàng)新研究院和浙江大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所合作完成。MIT博士生Hyunwoo Yuk和江西科技師范大學(xué)盧寶陽(yáng)教授為論文共同第一作者，浙江大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所林燊博士、羅建紅校長(zhǎng)以及江西科技師范大學(xué)屈凱同學(xué)、徐景坤校長(zhǎng)為論文共同作者，MIT終身教授趙選賀為通訊作者。

發(fā)明導(dǎo)電聚合物墨水，首次實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物的高精度3D打印

趙選賀教授團(tuán)隊(duì)打印出的這些設(shè)備由一種導(dǎo)電的聚合物墨水制成。研究小組將這種類似于液體的導(dǎo)電聚合物溶液轉(zhuǎn)化成一種更像粘性牙膏的物質(zhì)，然后放入3D打印機(jī)中，打印出穩(wěn)定的導(dǎo)電圖案。

研究小組打印了幾種軟電子設(shè)備，包括一個(gè)小的柔軟電極，并將它們植入小鼠的大腦中。當(dāng)小鼠在一個(gè)可控的環(huán)境中自由移動(dòng)時(shí)，神經(jīng)探針能夠捕捉到單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。監(jiān)測(cè)這種活動(dòng)可以給科學(xué)家提供更高分辨率的大腦活動(dòng)圖像，并可以幫助制定治療方案和長(zhǎng)期大腦植入物，以應(yīng)對(duì)各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

“我們希望通過演示，人們可以使用這種技術(shù)快速制造出不同的設(shè)備，”MIT博士生Hyunwoo Yuk說(shuō)：“可以更改設(shè)計(jì)、運(yùn)行打印代碼并在30分鐘內(nèi)生成新的設(shè)計(jì)。希望這將簡(jiǎn)化神經(jīng)接口的開發(fā)，完全由軟材料制成。”

“從肥皂水到牙膏”，打印材料揭秘

導(dǎo)電聚合物是近年來(lái)科學(xué)家熱切探索的一類材料，因?yàn)樗鼈兙哂蓄愃扑芰系娜犴g性和類似金屬的電導(dǎo)率。導(dǎo)電聚合物在商業(yè)上用作抗靜電涂層，因?yàn)樗鼈兛梢杂行У貛ё?a target="_blank">電子產(chǎn)品和其他易產(chǎn)生靜電的表面上積聚的靜電荷。

“這些聚合物解決方案易于噴涂在觸摸屏等電子設(shè)備上，”Yuk說(shuō)：“但是液體形式主要用于均質(zhì)涂層，很難將其用于任何二維、高分辨率的圖案中。在3D世界里，這是不可能的?！?/p>

Yuk和他的同事認(rèn)為，如果他們能夠開發(fā)出一種可打印的導(dǎo)電聚合物，那么他們就可以利用這種材料打印出大量軟的、復(fù)雜圖案的電子設(shè)備，比如柔性電路和單神經(jīng)元電極。

在他們的新研究中，研究小組報(bào)告了一種改良的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS），這是一種導(dǎo)電聚合物，通常是類似于墨水的深藍(lán)色液體。這種液體是水和PEDOT: PSS納米纖維的混合物。液體的導(dǎo)電性來(lái)自這些納米纖維，當(dāng)它們接觸時(shí)，就像一個(gè)隧道，任何電荷都可以通過它們流動(dòng)。

如果將這種聚合物以液態(tài)形式送入3D打印機(jī)中，它只會(huì)在下層表面滲出。因此，該團(tuán)隊(duì)尋求一種在保持材料固有的導(dǎo)電性的同時(shí)增稠聚合物的方法。

圖1：3D可打印導(dǎo)電聚合物油墨的設(shè)計(jì)

他們首先對(duì)材料進(jìn)行冷凍干燥，去除液體，留下干燥的納米纖維基質(zhì)或海綿。如果不采取措施，這些納米纖維會(huì)變得脆弱和破裂。因此，研究人員將納米纖維與他們先前開發(fā)的水溶液和有機(jī)溶劑混合，形成了水凝膠——一種嵌有納米纖維的水基柔軟材料。

他們制造了具有不同濃度的納米纖維的水凝膠，發(fā)現(xiàn)納米纖維的重量百分比介于5％-8％之間時(shí)，可以制造出一種類似牙膏的材料，這種材料既可以導(dǎo)電，又適合送入3D打印機(jī)。

圖2：導(dǎo)電聚合物的3D打印

“起初，它就像肥皂水，”趙選賀教授說(shuō)：“我們濃縮納米纖維，讓它像牙膏一樣粘稠，這樣我們就可以把它擠出來(lái)，成為一種濃稠的、可打印的液體?！?/p>

圖3：3D打印導(dǎo)電聚合物的性能

打印柔軟電極植入小鼠大腦，成功監(jiān)測(cè)單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)信號(hào)研究人員將這種新型導(dǎo)電聚合物注入常規(guī)的3D打印機(jī)中，發(fā)現(xiàn)它們可以產(chǎn)生復(fù)雜的圖案，保持穩(wěn)定并具有導(dǎo)電性。

作為概念驗(yàn)證，他們打印了一個(gè)小的柔軟電極，大約有一片五彩紙屑那么大。這種電極由一層柔韌的透明聚合物構(gòu)成，然后在它的上面打印出導(dǎo)電聚合物，這些導(dǎo)電聚合物以細(xì)細(xì)的平行線匯聚在一個(gè)尖端，寬度約10微米，小到足以從單個(gè)神經(jīng)元接收電信號(hào)。

研究小組將電極植入小鼠的大腦，發(fā)現(xiàn)它可以接收來(lái)自單個(gè)神經(jīng)元的電信號(hào)。

圖4：導(dǎo)電高分子設(shè)備的3D打印

“傳統(tǒng)上，電極是剛性的金屬線，一旦發(fā)生振動(dòng)，這些金屬電極就會(huì)損傷組織，”趙選賀教授說(shuō)?！拔覀儸F(xiàn)在已經(jīng)證明，你可以用凝膠探針代替針頭?！?/p>

原則上，這種柔軟的、基于水凝膠的電極甚至可能比傳統(tǒng)的金屬電極更靈敏。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)金屬電極以電子形式傳導(dǎo)電，而大腦中的神經(jīng)元?jiǎng)t以離子形式產(chǎn)生電信號(hào)。大腦產(chǎn)生的任何離子電流都需要轉(zhuǎn)換成金屬電極可以記錄的電信號(hào)，這種轉(zhuǎn)換可能會(huì)導(dǎo)致部分信號(hào)在轉(zhuǎn)換過程中丟失。此外，離子只能與表面的金屬電極相互作用，這就限制了電極在任何特定時(shí)間能夠檢測(cè)到的離子濃度。

研究小組還打印了軟性多電極陣列，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)

相比之下，研究小組的軟電極是由導(dǎo)電納米纖維制成的，納米纖維嵌入水凝膠中，水凝膠是一種水基材料，離子可以自由通過。

“導(dǎo)電聚合物水凝膠的美妙之處在于，除了其柔軟的機(jī)械性能之外，它還由水凝膠(離子導(dǎo)電)和納米纖維多孔海綿組成，離子可以進(jìn)出這些海綿，” 盧寶陽(yáng)教授說(shuō)：“由于電極的整個(gè)體積是活動(dòng)的，因此靈敏度得到了提高?！?/p>