导电聚合物油墨的发明首次实现了导电聚合物的高精度3D打印

众所周知，大脑是我们最脆弱的器官之一，就像最软的豆腐一样。然而，大脑植入物通常由金属和其他刚性材料制成，随着时间的推移，这将导致炎症和疤痕组织的积累。有更好的替代材料吗？几天前，麻省理工学院教授赵宣和的团队开发了一种方法，用3D打印神经探针和其他电子设备，它们像橡胶一样柔软和灵活。研究结果发表在《自然通讯》上，标题为“导电聚合物的三维印刷”。

研究工作由麻省理工学院机械工程系、江西科技师范大学柔性电子创新研究所和浙江大学神经科学研究所共同完成。麻省理工学院的博士生于贤和江西科技师范大学的陆保阳教授是这篇论文的共同作者。浙江大学神经科学研究所的偕林博士和罗建宏院长，以及江西科技师范大学的曲凯和徐景坤校长是合著者。麻省理工学院终身教授赵宣和是通信作者。

发明的导电聚合物墨水首次实现了导电聚合物的高精度3D打印

赵宣和教授的团队印刷的设备是由导电聚合物墨水制成的。研究小组将这种类似液体的导电聚合物溶液转化成更像粘性牙膏的物质，然后放入3D打印机打印出稳定的导电图案。

该小组印制了几个软电子设备，包括一个小的软电极，并将它们植入老鼠的大脑。当老鼠在受控环境中自由活动时，神经探针可以捕捉单个神经元的活动。监测这种活动可以为科学家提供更高分辨率的大脑活动图像，并有助于制定治疗计划和长期大脑植入，以应对各种神经疾病。

“我们希望通过演示，人们可以使用这项技术来快速制造不同的设备，”麻省理工学院博士生贤宇育说。“您可以在30分钟内更改设计、运行打印代码并生成新设计。希望这将简化神经界面的开发，并完全由软材料制成。”

“从肥皂水到牙膏”，印刷材料披露

导电聚合物是近年来科学家们热切探索的一种材料，因为它们具有类似塑料的柔韧性和类似金属的导电性。导电聚合物在商业上用作抗静电涂层，因为它们可以有效地带走电子产品和其他易于产生静电的表面上积累的静电荷。

“这些聚合物溶液很容易喷到电子设备上，比如触摸屏，”尤克说。“然而，液体形式主要用于均匀涂布，很难在任何二维、高分辨率图案中使用。在3D世界里，这是不可能的。”

Yuk和他的同事相信，如果他们能开发出一种可印刷的导电聚合物，他们就能利用这种材料印刷大量柔软、复杂的电子设备图案，如柔性电路和单神经元电极。

在他们的新研究中，研究小组报道了一种改进的聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)，它是一种导电聚合物，通常是一种类似于墨水的深蓝色液体。这种液体是水和PEDOT: PSS纳米纤维的混合物。液体的导电性来自这些纳米纤维。当它们接触时，它们的行为就像一条隧道，任何电荷都可以通过它流动。

如果这种聚合物以液态形式被送入3D打印机，它只会从下表面渗出。因此，该团队寻求一种方法来增稠聚合物，同时保持材料的固有导电性。

图1:1:3D可印刷导电聚合物油墨的设计

他们首先冷冻干燥材料以去除液体，留下干燥的纳米纤维基质或海绵。如果不采取措施，这些纳米纤维将变得脆弱和破裂。因此，研究人员将纳米纤维与之前开发的水溶液和有机溶剂混合，形成水凝胶——，一种嵌入纳米纤维的水基软材料。

他们用不同浓度的纳米纤维制成水凝胶，发现当纳米纤维的重量百分比在5%到8%之间时，他们可以制成牙膏状的材料，这种材料可以导电，并且适合输入3D打印机。

图2:导电聚合物的3D印刷

“起初，它像肥皂水，”赵宣和教授说。“我们将纳米纤维浓缩，使其像牙膏一样粘稠，这样我们就可以将其挤压成粘稠的可印刷液体。”

图3:3:3D印刷导电聚合物的性能

打印植入小鼠大脑的软电极，成功监测单神经元活动信号研究人员将这种新的导电聚合物注入传统的3D打印机，发现它们可以产生复杂的图案，保持稳定性并具有导电性。

作为概念的证明，他们印刷了一个小的柔性电极，大约有一片纸屑那么大。电极由一层柔性透明聚合物组成，上面印有导电聚合物。这些导电聚合物在尖端汇聚成宽度约为10微米的细平行线，小到足以接收来自单个神经元的电信号。

该小组将电极植入老鼠的大脑，发现它可以接收来自单个神经元的电信号。

图4:导电聚合物设备的3D打印

“传统上，电极是刚性金属线。一旦发生振动，这些金属电极就会损坏组织，”赵宣和教授说。"我们现在已经证明你可以用凝胶探针代替针头."

原则上，这种柔软的基于水凝胶的电极甚至比传统的金属电极更敏感。这是因为大多数金属电极以电子的形式导电，而大脑中的神经元以离子的形式产生电信号。大脑产生的任何离子电流都需要转换成可以被金属电极记录的电信号，这种转换可能会导致一些信号在转换过程中丢失。此外，离子只能与表面上的金属电极相互作用，这限制了电极在任何特定时间可以检测到的离子浓度。

该小组还印刷了一个软的多电极阵列，可以用来监测单个神经元的活动。

相反，研究小组的软电极是由嵌入水凝胶的导电纳米纤维制成的，水凝胶是一种水基材料，离子可以自由通过。

陆保阳教授说：“导电聚合物水凝胶的美妙之处在于，除了其柔软的机械性能外，它还由水凝胶(离子传导)和纳米纤维多孔海绵组成，离子可以进出这些海绵。”。"因为电极的整个体积都是活动的，所以灵敏度提高了."