丹麦奥胡斯大学：医用3D打印导电水凝胶

来源：增材之光

导读：丹麦奥胡斯大学工程系的Shweta Agarwala在最近发表的“用于保健的电子导电水凝胶：概念、制造方法和应用”中，研究了医学领域的3D打印技术，并对导电水凝胶进行了综述。

随着3D打印开始渗透到主流中，汽车、航空航天和建筑等行业受到了积极的影响。现在，随着科学家继续在生物打印领域取得长足的进步，医学应用已经超越了3D模型和设备。支架是组织工程中常用的结构，具有多种不同的水凝胶。如今，它们具有广泛的应用，从智能穿戴设备到生物传感器、植入物和渠道，再到伤口处理。

由于以下原因，水凝胶在研究和其他应用中具有吸引力：
•理想的细胞外基质（ECM）
•细胞支持
•生物相容性
•天然和合成亲水性聚合物链可提供高吸水率

尽管水凝胶已在组织工程中找到了利基应用，但它们本质上是固有的绝缘性。最近的研究表明，水凝胶不仅具有支持生物物种的必要特性，而且如果经过修饰，还可以与电路连接。因此，对导电水凝胶的研究在诸如健康记录电极等方面得到了广泛的关注。

导电水凝胶，其成分和应用的示意图

Agarwala指出，通常，与水凝胶相关的电导率是离子电导率。

制备导电水凝胶的复合材料及其电导率的概述

在这种情况下，增材材料对整体电导率的贡献很小。但是，最近在这个方向上的研究工作已显示出从增材材料中诱导导电性的希望。

虽然最常用于与水相容的导电材料的方法是使用超声波能量或加热，但还有其他五种方法可用：

1.将具有交联剂的水凝胶单体与纳米颗粒凝胶在一起。
2.胶凝后，纳米颗粒物理嵌入水凝胶基质中。
3.将纳米颗粒前体装载到凝胶中。
4.使用纳米颗粒交联形成水凝胶。
5.水凝胶是使用纳米粒子、聚合物和其他分子形成的。

描述合成导电水凝胶的各种方法的示意图：（A）具有交联剂的水凝胶单体和胶凝化的纳米颗粒；（B）在凝胶化之后将纳米颗粒物理地嵌入水凝胶基质中；（C）由水凝胶网络辅助的反应性纳米颗粒形成，其中纳米颗粒前体负载在凝胶中；（D）使用纳米粒子交联以形成水凝胶；（E）使用纳米颗粒，聚合物和其他分子形成水凝胶。

3D打印的最大好处之一是，用户不仅可以创建更复杂的几何图形，还可以在设计和定制方面享有极大的自由度，并且可以更快地完成项目并根据需要进行更改。所有这些好处都适用于为何3D打印导电水凝胶如此大量增加的原因。

技术通常依靠剪切稀化，使它们随着使用压电头的压力而流动。

压电材料在施加电压或电流时会变形。因此，可以通过改变施加到打印头的电压来控制孔板开度。喷墨打印会产生小的液滴（亚微米量），这些液滴会沉积在表面上。材料沉积量小，相对于通过挤压而产生的大量材料喷射，有助于打印高分辨率的结构和支架。油墨开发被认为是3D打印最重要的方面之一。水凝胶油墨需要具有正确的流变性，才能满足定向过程的物理和机械需求。

（A）3D生物绘图系统（B）数字光投影仪（DLP）3D打印系统到3D打印导电水凝胶支架的草图，以及（C）立体光刻工艺的草图。

这样的水凝胶具有在传感器技术、药物输送系统和组织工程中使用的潜力。从石墨烯-壳聚糖到二氧化硅纳米颗粒，二氧化硅氧化铝，也已经使用了多种复合材料，但研究人员指出，由于涉及许多挑战，这种制造的商业化“距离还很遥远”。

这些材料无法遵循原始设计模型，因为打印结构无法保留原始形状。实现功能梯度和层次属性也具有挑战性，正在开发新的设计方法来解决这些问题。

导电水凝胶领域仍然充满着尚未解决的技术挑战，因此为该领域的研究人员提供了发展的机会，因为该领域的发展已超出早期阶段。水凝胶电导率的改善可能是一个研究方向，而结合新功能如生物降解性和机械强度可以为应用开辟新途径。在制造方法上也需要创新，以使水凝胶的各种成分以所需的方式沉积。