3D 打印超软强粘附 PEDOT:PSS 水凝胶：生物电子学的创新之选

来源：上海幂方电子科技有限公司更新时间：2025-03-03 10:49:03 阅读量：158

导读：3D 打印超软强粘附 PEDOT:PSS 水凝胶：生物电子学的创新之选

研究背景

导电水凝胶因良好的柔韧性、生物相容性和机电性能，在生物电子学等领域应用广泛。基于 PEDOT:PSS 的导电水凝胶研究热度高，但现有此类水凝胶存在柔软度低、附着力不足的问题，与低模量粘附基底（如皮肤、心脏）适配性差，影响高精度生物电子接口的发展。同时，传统加工方法（喷墨打印、丝网印刷和光刻等）存在分辨率低、纵横比低和程序复杂等缺陷，限制了导电聚合物在生物电子学领域的发展。3D 打印作为一种具有可编程性、设计灵活、识别过程精确和打印精度高等优势的增材制造技术，在生物电子接口领域展现出巨大应用潜力，但仍需开发具有优异机械、流变性能和高导电性的水凝胶墨水，以实现高分辨率图案打印和实时准确的信号检测。

研究内容

北方民族大学刘贵群教授团队研究开发了聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）-聚乙烯醇（PVA）-聚丙烯酸（PAA）通过物理交联方法制成的基于导电聚合物 PEDOT:PSS 的水凝胶。这种水凝胶具有较高的断裂伸长率（267%）、较低的杨氏模量（～12.79 kPa）、较高的导电率（4.43 S m-1）以及对各种材料的较强粘附能力（超过 28 kPa）。这种超软和普遍的强粘合力可大大改善生物电子学（如高分辨率电极和高精度生物信号监测）的打印和应用。相关研究以“3D Printed Ultrasoft and Adhesive PEDOT:PSS-Based Hydrogel for Bioelectronics”为题发表在ACS Applied Polymer Materials期刊上。

研究亮点

1. 通过物理交联法制备了 PEDOT:PSS-PVA-PAA水凝胶。该水凝胶利用 PVA与PAA 形成的互穿聚合物网络（IPN）提供强机械性能，PEDOT:PSS 赋予其高导电性，并增强了水凝胶的粘附性和流变性能。

2. 此水凝胶具有高分辨率（约 60μm）、高断裂伸长率（267%）、低杨氏模量（约 12.79kPa）、高电导率（4.43 Sm^-1）和对多种材料的强粘附能力（剪切强度超过 28kPa）。这些性能使其能在各种生物电子相关基底上实现稳定粘附，打印的电极有望为生物电子领域的信号监测提供持久精确的稳定效果。

3. 对 3D 打印墨水的打印参数进行系统优化，确定了不同浓度墨水的可打印范围及最佳打印参数。使用选定的最佳参数（施加压力 400kPa，喷嘴直径 90μm，打印速度7 mms^-1），可打印出多种高分辨率、高保真度的图案和电极，且打印过程顺利，图案能适应变形并保持良好的粘附性能。

图文导读

Figure 1. Design and adhesion mechanism of the PEDOT:PSS?PVA-PAA hydrogel.

Figure 2. Mechanical properties, electrical conductivity, and adhesion performance of the PEDOT:PSS?PVA-PAA hydrogel.

Figure 3. Rheological properties of the PEDOT:PSS?PVA-PAA hydrogel ink.

Figure 4. Parameter adjustment and preprinting evaluation of 3D printing with PEDOT:PSS?PVA-PAA composite ink.

Figure 5. Actual printing effects of the PEDOT: PSS-PVA-PAA composite ink.

总结与展望

本研究以导电聚合物 PEDOT:PSS 为基础，设计了一种 PEDOT:PSS-PVA-PAA 导电聚合物水凝胶。这种水凝胶不仅具有高伸长率（超过（杨氏模量低于 25 kPa）），而且对各种基底具有很强的粘附性（超过 28 kPa），并能以高分辨率（～60 μm）和高保真度轻松打印出各种形状的 3D 打印件。这种超软强粘合水凝胶可在各种生物电子相关基底上实现稳定粘合，打印出的电极有望为生物电子领域相关信号监测提供持久、精确的稳定效果，同时也为 3D 打印生物电子接口的选择提供了有力的思路。

文献链接

https://doi.org/10.1021/acsapm.4c03275

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