供稿人：姚思琦、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-05-05
生物電子器件在生理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)類組織機(jī)械順應(yīng)性和保持高導(dǎo)電性是電子材料在長(zhǎng)期體內(nèi)植入和功能化過(guò)程中與生物組織和器官對(duì)接的關(guān)鍵。鑒于導(dǎo)電聚合物水凝膠獨(dú)特的柔性、導(dǎo)電性和生物相容性，可最大限度的減少組織-生物電子的界面力學(xué)和電化學(xué)失配，對(duì)醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)、診斷及治療具有廣泛的意義。然而常規(guī)的制造手段難以制造具有高分辨率和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物電子器件，無(wú)法滿足復(fù)雜生物環(huán)境對(duì)高性能生物電子的需求。
近期，南方科技大學(xué)劉吉教授團(tuán)隊(duì)與江西科技師范大學(xué)盧寶陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)的可3D打印水凝膠（圖1），具有優(yōu)越的直接墨水書寫能力、類組織機(jī)械柔性（彈性模量≈650 kPa）以及高度可調(diào)的電學(xué)性能（大于9 S/m）。導(dǎo)電墨水由PEDOT:PSS分散顆粒(4 wt%)、PVA (4 wt%)、PAA-NHS (16 wt%)、CTS (0.4 wt%)和GA (0.01 wt%)組成，此外通過(guò)調(diào)整器件結(jié)構(gòu)和不同功能層的化學(xué)組分設(shè)計(jì)，可進(jìn)行多材料直接墨水書寫打印包括基底層、傳感層和絕緣封裝層的流線型水凝膠電子器件，使得分層材料具有相似的楊氏模量(≈600 kPa)和含水量（75%），同時(shí)界面化學(xué)相互作用可以實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的界面鍵合而不發(fā)生界面分層現(xiàn)象。
圖1 可3D打印導(dǎo)電墨水的設(shè)計(jì)與配方
進(jìn)一步的，研究人員通過(guò)多材料墨水直寫打印具備16通道的電極陣列，并將其分別應(yīng)用至大鼠離體和在體心臟表面，相比商用心臟貼片電極，導(dǎo)電聚合物水凝膠電極陣列可以在動(dòng)態(tài)移動(dòng)的生物組織和器官上實(shí)現(xiàn)保形和緊密錨固，極大的提高了記錄信噪比和信號(hào)保真度，能夠?qū)w外灌注心臟模型和體內(nèi)大鼠心臟模型的心外膜電生理信號(hào)進(jìn)行時(shí)空映射（圖2）。并成功監(jiān)測(cè)出患病大鼠（心梗模型）的異常心電信號(hào)，通過(guò)電生理信號(hào)的時(shí)空映射可精確定位出異常心電傳導(dǎo)區(qū)域，并給予電刺激治療，實(shí)現(xiàn)病變區(qū)域的精準(zhǔn)電學(xué)調(diào)控。
圖2 用于心電監(jiān)測(cè)的3D打印水凝膠生物電子
該研究提出了一種具有優(yōu)越墨水直寫能力的高導(dǎo)電油墨，并利用多材料3D打印技術(shù)制造高分辨率和復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的生物電子器件，實(shí)現(xiàn)組織-電子界面穩(wěn)定的機(jī)械耦合及高效的電學(xué)交互。3D打印水凝膠生物電子學(xué)可能為未來(lái)先進(jìn)的植入式生物電子學(xué)開辟新的機(jī)會(huì)，也可作為下一代生物電子技術(shù)用于醫(yī)療監(jiān)測(cè)、診斷和醫(yī)療治療的基礎(chǔ)。