用于柔性传感器的3D打印水凝胶

据外媒报道，近日，国际研究人员聚集在一起对复杂的3D打印材料进行了研究，并在“可用于光固化3D打印的基于双网的坚韧且导电的聚合物水凝胶”论文中发表了他们的研究成果。

据了解，目前导电性能材料和水凝胶都广泛用于3D打印中，而在本次研究中，研究员将它们结合起来以在柔性传感器方面进行更大的创新。顾名思义，水凝胶由聚合物制成，它能够保持水分，并且经常用于以生物打印、交联、软组织工程等为中心的研究项目。尽管被认为适合于各种应用，但是据研究员最近发现，由于机械性能较差，它们的使用经常受到限制。

但是，由于附着力强、高孔隙率、膨胀好、生物相容性等原因，导电水凝胶在研究和开发中极具有吸引力。这些功能使CHs成为人体运动传感器甚至伤口绷带的绝佳选择，可增强感染皮肤的再生能力。

研究人员说：“目前，可打印的CHs大多是带有导电性且具有自由移动离子。由于准备过程简单，变形大，因此非常适合3D打印。”

研究人员透露，在使用导电水凝胶时会面临很多挑战，因为柔性链会变形，单个网格结构很容易分解，这导致了打印的部件具有较低的机械强度。但是，导电聚合物【聚吡咯（PPy），聚噻吩（PTh），聚苯胺（PANI）和水凝胶】的组合可能会聚在一起形成互穿聚合物网络（IPN）或双网络（DN）结构。
导电聚合物水凝胶（CPH）用作管理结构内应力的链条，经过聚合，浸没，然后集成到网络中，形成IPN。由于成型时间太长，需要一到两天，因此远远不能满足3D打印的要求。

据了解，在这项研究中，合成水凝胶是通过DLP 3D打印机进行打印的。

CPH的结构和制备过程示意图；（a）通过DLP打印形成具有EDOT的水凝胶；（b）在氧化剂溶液中形成的PHEA-PSS / PEDOT水凝胶。在12％（重量）的EDOT含量下评估样品水凝胶的电导率。

EDOT含量分别为12 w％的，处于不同氧化剂比的处于溶胀状态和干燥状态的水凝胶的电导率。

（b）在固定浓度的FeCl3：APS = 1：1的EDOT不同浓度下的电导率。（c）照亮LED的印刷水凝胶的照片。（d）水凝胶的溶胀性能随着加入EDOT而下降。

“干凝胶的导电率归因于  PEDOT的π电子共轭聚合物。为了排除离子的影响，PEDOT的评估基于干燥样品的电导率。与仅一种氧化剂APS相比，Fe 3+  作为电子受体从  PEDOT的π电子共轭聚合物中吸收电子，在链中形成载体[ 41 ]。当FeCl 3  过量时，过多的氧化点导致PEDOT的分子量降低，从而削弱了导电相的接触。同时，过氧化作用也破坏了PEDOT的共轭结构[ 42 ]，从而导致电导率下降。当EDOT、APS和FeCl 3的比例 为1：1：1时，干凝胶的电导率最大（0.5 S cm-1）。”研究人员解释道。

据了解，随着EDOT的增加，水凝胶显示出溶胀。反之减少，使其达到恒定状态。在测试传感器的应用时，研究人员创建了一个样本“手指”，将水凝胶附着在其上，并注意到当手指弯曲时，水凝胶能够将快速将机械信号转换为电信号。根据压力变化，手指能够变形并且保持不断裂。

（a）手指弯曲状态下的电流变化；（b）一定的压力。

研究人员总结说：“事实证明，水凝胶可用作压力传感器来监测人类活动。这项研究为3D打印导电水凝胶提供了新的思路，该材料可用于可拉伸的电子设备和软机器人应用中。”

【点评】近年来，水凝胶尤其是超韧水凝胶在细胞培养、组织工程、软机器人以及离子器件等领域的应用得到极大发展。最近更是在3D打印领域打开了新世界，此研究为3D打印材料提供了更多的选择和可能性，相信未来，3D打印水凝胶将在更多的行业得到应用。