丹麥奧胡斯大學(xué)：醫(yī)用3D打印導(dǎo)電水凝膠

來(lái)源：增材之光

導(dǎo)讀：丹麥奧胡斯大學(xué)工程系的Shweta Agarwala在最近發(fā)表的“用于保健的電子導(dǎo)電水凝膠：概念、制造方法和應(yīng)用”中，研究了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的3D打印技術(shù)，并對(duì)導(dǎo)電水凝膠進(jìn)行了綜述。

隨著3D打印開始滲透到主流中，汽車、航空航天和建筑等行業(yè)受到了積極的影響�，F(xiàn)在，隨著科學(xué)家繼續(xù)在生物打印領(lǐng)域取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，醫(yī)學(xué)應(yīng)用已經(jīng)超越了3D模型和設(shè)備。支架是組織工程中常用的結(jié)構(gòu)，具有多種不同的水凝膠。如今，它們具有廣泛的應(yīng)用，從智能穿戴設(shè)備到生物傳感器、植入物和渠道，再到傷口處理。

由于以下原因，水凝膠在研究和其他應(yīng)用中具有吸引力：
•理想的細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）
•細(xì)胞支持
•生物相容性
•天然和合成親水性聚合物鏈可提供高吸水率

盡管水凝膠已在組織工程中找到了利基應(yīng)用，但它們本質(zhì)上是固有的絕緣性。最近的研究表明，水凝膠不僅具有支持生物物種的必要特性，而且如果經(jīng)過(guò)修飾，還可以與電路連接。因此，對(duì)導(dǎo)電水凝膠的研究在諸如健康記錄電極等方面得到了廣泛的關(guān)注。

導(dǎo)電水凝膠，其成分和應(yīng)用的示意圖

Agarwala指出，通常，與水凝膠相關(guān)的電導(dǎo)率是離子電導(dǎo)率。

制備導(dǎo)電水凝膠的復(fù)合材料及其電導(dǎo)率的概述

在這種情況下，增材材料對(duì)整體電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)很小。但是，最近在這個(gè)方向上的研究工作已顯示出從增材材料中誘導(dǎo)導(dǎo)電性的希望。

雖然最常用于與水相容的導(dǎo)電材料的方法是使用超聲波能量或加熱，但還有其他五種方法可用：

1.將具有交聯(lián)劑的水凝膠單體與納米顆粒凝膠在一起。
2.膠凝后，納米顆粒物理嵌入水凝膠基質(zhì)中。
3.將納米顆粒前體裝載到凝膠中。
4.使用納米顆粒交聯(lián)形成水凝膠。
5.水凝膠是使用納米粒子、聚合物和其他分子形成的。

描述合成導(dǎo)電水凝膠的各種方法的示意圖：（A）具有交聯(lián)劑的水凝膠單體和膠凝化的納米顆粒；（B）在凝膠化之后將納米顆粒物理地嵌入水凝膠基質(zhì)中；（C）由水凝膠網(wǎng)絡(luò)輔助的反應(yīng)性納米顆粒形成，其中納米顆粒前體負(fù)載在凝膠中；（D）使用納米粒子交聯(lián)以形成水凝膠；（E）使用納米顆粒，聚合物和其他分子形成水凝膠。

3D打印的最大好處之一是，用戶不僅可以創(chuàng)建更復(fù)雜的幾何圖形，還可以在設(shè)計(jì)和定制方面享有極大的自由度，并且可以更快地完成項(xiàng)目并根據(jù)需要進(jìn)行更改。所有這些好處都適用于為何3D打印導(dǎo)電水凝膠如此大量增加的原因。

技術(shù)通常依靠剪切稀化，使它們隨著使用壓電頭的壓力而流動(dòng)。

壓電材料在施加電壓或電流時(shí)會(huì)變形。因此，可以通過(guò)改變施加到打印頭的電壓來(lái)控制孔板開度。噴墨打印會(huì)產(chǎn)生小的液滴（亞微米量），這些液滴會(huì)沉積在表面上。材料沉積量小，相對(duì)于通過(guò)擠壓而產(chǎn)生的大量材料噴射，有助于打印高分辨率的結(jié)構(gòu)和支架。油墨開發(fā)被認(rèn)為是3D打印最重要的方面之一。水凝膠油墨需要具有正確的流變性，才能滿足定向過(guò)程的物理和機(jī)械需求。

（A）3D生物繪圖系統(tǒng)（B）數(shù)字光投影儀（DLP）3D打印系統(tǒng)到3D打印導(dǎo)電水凝膠支架的草圖，以及（C）立體光刻工藝的草圖。

這樣的水凝膠具有在傳感器技術(shù)、藥物輸送系統(tǒng)和組織工程中使用的潛力。從石墨烯-殼聚糖到二氧化硅納米顆粒，二氧化硅氧化鋁，也已經(jīng)使用了多種復(fù)合材料，但研究人員指出，由于涉及許多挑戰(zhàn)，這種制造的商業(yè)化“距離還很遙遠(yuǎn)”。

這些材料無(wú)法遵循原始設(shè)計(jì)模型，因?yàn)榇蛴〗Y(jié)構(gòu)無(wú)法保留原始形狀。實(shí)現(xiàn)功能梯度和層次屬性也具有挑戰(zhàn)性，正在開發(fā)新的設(shè)計(jì)方法來(lái)解決這些問(wèn)題。

導(dǎo)電水凝膠領(lǐng)域仍然充滿著尚未解決的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此為該領(lǐng)域的研究人員提供了發(fā)展的機(jī)會(huì)，因?yàn)樵擃I(lǐng)域的發(fā)展已超出早期階段。水凝膠電導(dǎo)率的改善可能是一個(gè)研究方向，而結(jié)合新功能如生物降解性和機(jī)械強(qiáng)度可以為應(yīng)用開辟新途徑。在制造方法上也需要?jiǎng)?chuàng)新，以使水凝膠的各種成分以所需的方式沉積。