3D列印水凝膠可十秒內降解，實現超快速編輯人機界面，具有出色的柔韌性、導電率性能

PuSL-微米3D列印

           水凝膠由於其出色的拉伸性、導電性和超高靈敏度，在電子皮膚、組織工程、藥物傳輸和可穿戴設備等各種應用中具有廣泛的應用。在本研究中，我們提出了一種透過基於投影微立體光刻（PμSL）的三維3D列印技術製造的新型導電交聯水凝膠，該水凝膠在浸入鹼性中時可以在數十秒內完全降解。對水凝膠的拉伸強度和電導率進行了測試，以證明其優異的柔韌性和電導率性能。此外，也探討了溫度、pH值和化學成分對可列印水凝膠的電導率和降解性能的影響。基於我們的可列印水凝膠的優點，開發的水凝膠感測器有望在可降解、高拉伸和導電的可穿戴設備和瞬態電子產品中實現可行的應用。最重要的是，水凝膠電路可以在數十秒內通過可列印水凝膠的鹼性和光固化前體進行功能定制，從而使超快速可編程人機界面能夠獲取肌電圖（EMG）信號，從而準確地控制額外人員的手指。目前的工作為利用3D列印可降解導電水凝膠設計超快速可編程柔性電子裝置、瞬態電子裝置、人機介面等打開了大門。

3D列印水凝膠：具有超高的可拉伸性和良好的導電性，樣品浸入鹼後數十秒內就會降解

伴隨著柔性電子領域的快速發展，如何解決大量的柔性電子產品廢棄物成為了挑戰之一。受此啟發，湖南大學王兆龍副教授、段輝高教授與上海交通大學鄭平院士、南方科技大學葛錡教授、航天五院楊東昇研究員合作，在《Materials Today Physics》期刊上發表了題為“Ultra-fast programmable human-machine interface enabled by 3D printed degradable conductive hydrogel”的文章。該文章利用面投影光刻技術PμSL 3D列印（設備：microArch® P140）製備了高精度高拉伸可導電水凝膠樣品及可編輯線路。在特定環境下，體系能被完全降解，實現柔性電子的環保無殘留。

水凝膠的製備與製造

3D列印水凝膠：具有超高的可拉伸性和良好的導電性，樣品浸入鹼後數十秒內就會降解
圖1 基於面投影微立體光刻PμSL 3D列印技術的水凝膠。（a）PμSL面投影光刻技術原理圖。（b）水凝膠前體溶液組成。（c）前體溶液固化前後展示圖。（d）H 2 O-H 2 O、H 2 O-PG、PG-PG 和PAM-H 2 O-PG 的氫鍵相互作用的密度泛函理論分析（DFT）。（e）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（f）基於PμSL面投影光刻技術製備的高精度海星和雪花樣品。

           具體的溶液製備和加工過程如圖1a-b所示，先將光引髮劑 (2, 4, 6-三甲基苯甲酰基)苯基次膦酸乙酯(TPO-L)分散在1,2-丙二醇中，得到溶液A。同時，將氯化鉀（KCl）、丙烯酰胺（AAm）和聚（乙二醇）二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）加入去離子（DI）水中混合均勻得到溶液B。將溶液A、B混合均勻，超聲處理得到水凝膠前體溶液（圖1c），在405nm紫外光的照射下能被完全固化。三維多孔網絡的微觀結構保證了高拉伸性能，圖2a-c展示了不同成分含量下樣品的拉伸性。研究人員通過單軸拉伸測試探究了不同成分含量對拉伸性能的影響。此外，還探究了電導率的影響因素（圖2d-h），證明了基於高拉伸導電水凝膠器件的低溫工作性能。

3D列印水凝膠樣品，力學與電學性能的研究

3D列印水凝膠樣品，力學與電學性能的研究
圖2 力學與電學性能的探究。（a）拉伸測試。不同含量（b) 丙烯酰胺，（c) 1,2-丙二醇的水凝膠樣品的應力-應變曲線。不同含量（d）氯化鉀，（e）丙烯酰胺和（f）1,2-丙二醇的水凝膠樣品的電導率測試。（g）丙烯酰胺和去離子水質量比為3的水凝膠樣品的差示掃描量熱（DSC）曲線。（h）不同溫度下的電導率。（i) 拉伸與導電性能的綜合展示。

           水凝膠的可降解的性能由酰胺基和交聯劑的共同水解實現，圖3b展示了六邊形水凝膠樣品的降解過程（pH=13）。通過改變樣品的形狀、厚度或表面積，能夠對其降解速度進行調控。除了幾何參數，水凝膠前體溶液的成分含量、環境的pH值和溫度都會影響降解速率。（圖3c-g）

3D列印水凝膠樣品，降解性能的研究

3D列印水凝膠樣品，降解性能的研究
圖3 降解性能探究。（a）鹼性環境中的降解原理圖。（b)六邊形水凝膠樣品在pH值為13的鹼性溶液中的降解過程。不同含量（c）丙烯酰胺，（d）PEGDMA和（e）1,2-丙二醇的水凝膠樣品的降解時間測試。（f）不同pH值下的降解時間。（g）不同溫度下的降解時間。

         基於高拉伸可降解導電水凝膠的柔性電子具有優異的工作性能，研究人員將其應用在柔性傳感及人機交互等應用中。如圖4a-b所示，基於水凝膠的柔性傳感器對於重複的機械運動具有準確靈敏的監測能力，具有廣泛的傳感範圍，從而達成穩定傳感的目的。研究人員主要對手指彎曲、不同頻率的重複運動、吞嚥、發音等動作進行了監測。研究結果如圖4c-i所示。除此之外，研究人員還利用水凝膠器件的可降解性能對瞬態電子及可編輯人機界面應用的可行性進行了探究。圖5a展示了通過降解和修復能夠實現串並聯電路的快速轉換。人機界面由基於水凝膠電路的肌電採集系統組成（圖5b），可穩定獲取五個手指的肌電信號，開發的EMG 收集系統能夠對複雜的手勢進行編碼，實現人手控制機械手進行動作，如圖5c-g展示，證明了基於3D列印可降解導電水凝膠在快速可編輯人機界面應用的可行性。值得一提的是，基於水凝膠的體系能被完全降解，為可編程和環保可穿戴設備提供了新思路。

3D列印水凝膠樣品，從人機介面獲得的肌電圖訊號可以快速編程，以加密方式控制額外的人
另外可降解的水凝膠為永續電子產品和環保的重要設計

3D列印水凝膠的柔性傳感器監測性能
圖4 基於水凝膠的柔性傳感器監測性能。（a）不同應變下水凝膠應變傳感器相對電阻變化曲線。（b）不同拉伸率下的靈敏度。（c） 手指彎曲，（d）手指不同頻率連續彎曲，（e）肘部連續彎曲，（f）行走期間膝蓋彎曲，（g）吞嚥，（h）發聲和（i）恆定壓力下的傳感曲線。
3D列印水凝膠樣品，從人機介面獲得的肌電圖訊號可以快速編程，以加密方式控制額外的人
圖5 可編輯電路及人機界面應用。（a）基於水凝膠電路的降解和修復。（b）採集系統工作原理示意圖。（c）所開發的EMG 採集系統捕獲得到的五個手指EMG 信號。（d）暴露於鹼下的EMG 採集系統捕獲得到的EMG 信號。（e）基於可降解水凝膠的可編程人機界面示意圖。（f）採集得到的不同手勢的信號。（g) 快速可編輯人機界面工作展示。

        該項研究成果獲得了廣東省重點領域研究發展計劃，湖南省自然科學基金，民用航空航天技術研究項目和中國空間技術研究院空間探索計劃和錢學森實驗室等實驗及研究項目支持。

參考文獻：Ultra-fast programmable human-machine interface enabled by 3D printed degradable conductive hydrogel
原文連結：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100794

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智觀智造-智觀科創，專注於超高精密微奈米3D列印領域，為BMF台灣區技術暨業務中心，提供： 1.全球領先的超高精密3D列印技術及精密加工能力解決方案提供商。 2.實現2~25um的列印精度，5~50um的列印層厚，士10~士50um的樣件公差控制能力。 3.應用產業：醫療器械、柔性電子、通信系統、機器人、超材料等領域更為顯著。

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