湖南大學王兆龍課題組《Research》：基於PμSL 3D打印的超拉伸抗凍導電水凝膠用於柔性傳感及腦電信號的採集

          近年來，柔性電子在可穿戴設備、電子皮膚等眾多應用中扮演著越來越重要的角色，以水凝膠為基質設計的柔性電子由於其良好的導電性、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、柔性能源器件及人機接口等方面表現出廣闊的應用前景。面投影微立體光刻3D打印技術（PμSL）可快速製造並成型任意形狀和定制設計的結構，為以水凝膠基質設計的柔性電子器件的製造提供了靈活性和簡便性。結合3D打印技術，並對水凝膠進行諸如超抗凍、超拉伸、導電等性能設計，在一定程度上拓寬了水凝膠的功能和應用範圍。

          近日，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，該團隊基於摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印機nanoArch S/P140，開發了一種能夠耐受-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採集。文章以“3D Printed Ultrastretchable, Hyper-Antifreezing Conductive Hydrogelfor Sensitive Motion and Electrophysiological Signal Monitoring”為題發表在Research（Volume 2020 |Article ID 1426078）上。其中，王兆龍助理教授及碩士研究生陳雷為共同一作。

          基於面投影微立體光刻技術製造水凝膠結構，首先，作者通過計算機輔助設計（CAD）軟件生成的3D模型按照特定層厚切片為一系列平行的二維數字圖像，然後，這些切出來的2D圖案被傳輸到DMD芯片上，DMD芯片通過2D圖案的形狀調節其上照射的紫外光（LED，405nm）。具有相應定義的2D圖案的成形紫外光通過一個縮小透鏡，該透鏡將2D圖像投影到具有縮小特徵尺寸的水凝膠前體溶液上。圖案化的紫外光照射將會使水凝膠前體溶液在相應區域發生局部聚合反應並成型附著在打印平台上。再控制降低打印平台，紫外光投影照射繼續打印下一層。這個過程反復進行，直到整個水凝膠結構被製造出來（圖1）。研究者引入親水性的三元醇作為光引髮劑TPO-L的良性溶劑，將不溶於水的TPO-L均勻分散在水中，提高光引髮劑引發效率，結合光固化3D打印nanoArchS/P140設備的離型膜的快速離型，大大提高水凝膠的光固化速度；利用納米羥基磷灰石與水凝膠高分子鏈之間形成強烈的物理作用，從而提高3D打印水凝膠的拉伸性（2500%），並進一步提高其機械強度；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（-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，並具有一定的低溫導電性（圖2）。