湖南大學王兆龍助理教授、段輝高教授與上海交通大學鄭平院士等：3D打印技術構建耐冷且具有極高導電能力的水凝膠體系

近期，湖南大學王兆龍助理教授、段輝高教授與上海交通大學鄭平院士等人合作，基于微立體光刻3D打印技術構建了一種能夠耐受-115℃極高導電能力的水凝膠體系，實現了極低溫條件下的可穿戴設備運動信號檢測及腦電信號高精度采集。文章以“3D Printed Ultrastretchable, Hyper-Antifreezing Conductive Hydrogel for Sensitive Motion and Electrophysiological Signal Monitoring”為題發表在Research（Volume 2020 |Article ID 1426078）上。

研究背景

近年來，柔性電子在很多應用中扮演著越來越重要的角色，比如健康監測、可穿戴設備、電子皮膚和植入性器件等。其中，以水凝膠為基質設計的柔性電子由于其良好的導電性、柔性以及生物相容性等特點受到廣泛的關注，在柔性傳感器、柔性能源器件、人機接口等方面表現出廣闊的應用前景。然而，有限的拉伸性、低溫凍結、制造精度低等因素制約了它們在柔性電子方面的實際應用。因此，設計和快速制造具有超拉伸、高導電、極端抗凍性能的水凝膠，使其在低溫下仍然維持良好的力學及電學性能具有極其重要的科學意義和廣闊的應用前景。

研究進展

研究人員基于面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術，設計和制造了一種具有超拉伸性、導電性、極端溫度耐受性的水凝膠，并應用于柔性傳感器和腦電信號采集的柔性電極腦機接口。通過引入納米顆粒分散在水凝膠中，極大提高了3D打印水凝膠的拉伸性能；引入親水性的三元醇作為光引發劑TPO-L的良性溶劑，將不溶于水的TPO-L均勻分散在水中，大大提高水凝膠的光固化速度。同時，三元醇和高濃度離子鹽的協同作用賦予了水凝膠極佳的導電性和抗凍性。

圖1   水凝膠的3D打印加工過程

納米羥基磷灰石的加入可以與水凝膠高分子鏈之間形成強烈的物理作用（圖2a），從而大幅提高3D打印水凝膠的拉伸性（2500%），并進一步提高其機械強度（圖2b），水凝膠中納米羥基磷灰石的最佳含量為2%左右;高濃度離子鹽和三元醇的協同作用賦予了3D打印水凝膠極端溫度耐受性（-115℃左右），3D打印水凝膠在極低溫情況下仍然能夠完成拉伸、彎曲和扭轉的動作，并具有良好的低溫導電性（圖2c-e）。圖2f中DSC曲線表明水凝膠在-120℃附近出現玻璃化轉變，證明水凝膠良好的抗凍性能（圖2f）。

圖2  水凝膠的力學、電學和抗凍性能

優異的機械性能和良好的導電性能使其水凝膠能夠作為應變傳感器用于識別幾乎所有的人體運動信號（圖3），包括手指彎曲、發聲和吞咽等運動信號，水凝膠在低電壓、超低溫情況下具有良好的傳感性能，同時水凝膠在100萬次循環后具有與循環前相似的電導率，表明水凝膠極高的穩定性。

圖3  柔性應變傳感器應用

人的大腦是由數以萬計的神經元組成的，這些神經元之間相互傳遞信息，生理活動會產生腦電信號，但腦電信號強度較低。而本研究打印的水凝膠具有低于100μV的工作電壓，被作為柔性電極檢測和采集腦電信號（EEG）（圖4）。本文提出的可3D打印水凝膠電極能夠采集人體睜閉眼時候的腦/眼電信號，同時當志愿者在閉上眼睛并放松時，腦電信號顯示出明顯的α波（8~13Hz），當志愿者睜開眼睛并積極思考時，腦電α波即刻消失并逐漸向β波（14~30Hz）方向移動。與當前最精確的傳統腦電信號采集裝置對比實驗表明，新體系水凝膠可以準確采集大腦中的腦電信號，反映大腦活動的整體信息，顯示出在人機交互特別是低溫領域的腦機接口等方面的應用潛力。

圖4  水凝膠電極腦機接口應用展示

未來展望

本研究基于面投影微立體光刻技術，將納米羥基磷灰石加入到水凝膠中，通過引入親水性的三元醇作為光引發劑TPO-L的良性溶劑，并結合高濃度的離子鹽和三元醇作為導電介質和抗凍劑，使得所開發的水凝膠體系具有優異機械、導電和抗凍性能，并且可作為柔性應變傳感器實現對人體運動和微弱信號的實時監控，還可進一步用作腦機接口，準確采集大腦中的腦電信號，包括α、β波以反映大腦活動的整體信息，本文提出的水凝膠在電子皮膚、人機交互甚至極低溫情況下的可穿戴設備中具有良好的應用前景。該研究的結果表明，3D打印技術的加入使得復雜3D結構、多功能柔性電子、復雜腦機接口的快速制造成為可能。

原文鏈接：

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1426078/