3D打印与柔性可拉伸电子

一、研究背景

柔性可拉伸微电子器件是下一代柔性设备、生物接口和微尺度能源系统的核心，但当前双光子聚合（2PP）等3D打印技术面临诸多瓶颈。传统导电填料（金属纳米颗粒、碳纳米管、有机半导体）存在易团聚、导电性不足、光学透明度差等问题；单一填料难以同时满足高导电、高透明、可拉伸的综合需求，且多材料集成需复杂后处理，制约了柔性电子的规模化制备与应用。亟需开发一种兼容2PP技术的多材料树脂体系，实现导电、绝缘、电活性区域的一体化打印，同时突破导电与透明、机械柔性的性能平衡难题。

二、研究亮点

1. 创新将导电聚合物PEDOT:PSS（有机电子相）与多壁碳纳米管（MWCNTs）复合于PEGDA水凝胶基质，实现1.4×10? S/m的高导电性（较纯PEGDA提升10?倍），同时保持>80%的光学透明度，突破单一填料的性能局限。

2. 在50%拉伸应变下仍保留≈65%导电性，10%应变下经3000次循环后仍维持导电性能，与PDMS基底无剥离；在pH 3-10范围内结构稳定，兼具良好的溶胀控制与水解稳定性。

3. 多材料一体化打印：通过顺序2PP技术，实现导电、绝缘、电活性区域的单片集成，无需后处理即可制备微电阻、微电容、微印刷电路板（μPCB）等功能器件，简化制造流程。

三、研究内容

1. 复合树脂配方与制备

Figure 1. Schematic representation of resin formulation and two-photon polymerization (2PP) fabrication of conductive polymer-multiwalled carbon nanotube microstructures (OEMWCNTMSs). 

- 基质选择：以PEGDA为水凝胶基质（兼具生物相容性与高分辨率打印适配性），搭配TPO-L光引发剂（适配780 nm激光波长）。

- 导电填料优化：添加0.4 wt.% PEDOT:PSS与0.15 wt.% MWCNTs作为双导电填料，分别通过DMSO（提升PEDOT:PSS相容性与导电性）和PETMP（抑制MWCNTs团聚）实现均匀分散；经离心去除大尺寸团聚体，树脂室温稳定期达6小时。

- 制备工艺：采用两步混合法，先实现MWCNTs均匀分散，再加入PEDOT:PSS与DMSO，确保树脂均一性与2PP工艺兼容性。

2. 核心性能表征

Figure 2. Two-photon polymerization (2PP) fabrication and optical characterization of conductive polymer-MWCNT composite microstructures (OEMWCNTMSs).

- 导电与透明性能：复合树脂导电性达1.4×10? S/m，比导电率（2.5×10? S·m?1·wt.%?1）远超现有2PP导电树脂；可见光范围内（400-800 nm）透明度>80%，满足光学生物接口与光电子器件需求。

- 机械与化学稳定性：PDMS基底上的打印结构在50%拉伸应变下无剥离，3000次10%应变循环后仍保持导电连续性；在PBS溶液中（pH 3-10）浸泡48小时，结构完整且溶胀率可控（≈26%-46%），10天内质量损失<6%。

- 电化学性能：微电容呈现典型矩形滞后环，比电容达667 F/g；微电阻表现出良好欧姆特性，1 kHz下阻抗低至1.8×103 Ω，电荷存储容量（CSC）较纯PEGDA提升20倍。

3. 功能器件与多材料集成

Figure 3. Electrical, morphological, and functional performance of OEMWCNTMSs fabricated using 2PP.

- 单一功能器件：直接打印微电阻（电导61.4±2.1 μS）、微电容（比电容667 F/g）及μPCB，器件结构精度高、性能稳定，无需后处理即可实现功能。

Figure 4. Multimaterial 2PP fabrication of composite microelectronic structures using OEMWCNTMSs. 

- 多材料一体化打印：通过顺序2PP技术，依次打印绝缘基底（纯PEGDA）、导电互连层（PEGDA+MWCNTs/PEDOT:PSS）、电活性区域（单一导电填料相），最终形成单片集成的多材料微电极，实现不同功能区域的精准空间定位与性能调控。

四、总结与展望

本研究成功开发了兼容2PP技术的多材料复合树脂体系，通过PEDOT:PSS与MWCNTs的协同作用，突破了传统3D打印柔性电子“高导电-高透明-可拉伸”的性能三角难题。该体系实现了导电、绝缘、电活性区域的一体化打印，直接制备出高性能微电阻、微电容、μPCB等功能器件，兼具优异的机械柔性、化学稳定性与电化学性能。无需复杂后处理的制造流程，为柔性电子的规模化、高精度制备提供了全新方案，推动了2PP技术在柔性微电子、生物接口与微能源系统中的应用。

文献链接： 

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202513208

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视频号：##柔性电子那些事