離子液體膠體的 3D 打印及其在生物電子器件中的應(yīng)用

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在生物電子領(lǐng)域，聚3,4-乙撐二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）因兼具類組織機(jī)械性能與導(dǎo)電性，成為理想材料，但其用于3D打印時面臨三大核心挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)油墨需冗長后處理去除細(xì)胞毒性添加劑（如二甲基亞砜、離子液體），難以實現(xiàn)高縱橫比結(jié)構(gòu)打印，且導(dǎo)電率較低（原始PEDOT:PSS僅~1 S/cm）。這些問題限制了其在可植入設(shè)備、柔性電子紋身等即時可用生物電子器件中的應(yīng)用。   

韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的Seongjun Park教授與Steve Park教授團(tuán)隊合作，開發(fā)了一種離子液體輔助離心制備的PEDOT:PSS離子液體膠體油墨（PILC）。該團(tuán)隊通過離心誘導(dǎo)離子交換反應(yīng)，形成緊密堆積的氫鍵網(wǎng)絡(luò)膠體顆粒，無需后處理即可實現(xiàn)生物相容性，同時顯著提升油墨的流變性能（儲存模量達(dá)10⁵ Pa，屈服應(yīng)力10³ Pa）和導(dǎo)電率（286 S/cm）。實驗證明，PILC油墨可打印高分辨率（~50 µm）、高縱橫比（4:1）結(jié)構(gòu)及懸空架構(gòu)，并直接用于體內(nèi)神經(jīng)信號記錄（如海馬區(qū)θ波振蕩）和體外生理監(jiān)測（ECG、EMG信號）。相關(guān)工作以《3D printable and biocompatible PEDOT:PSS ionic liquid colloids with high conductivity for rapid on-demand fabrication of 3D bioelectronics》為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

研究內(nèi)容
1. PILC油墨的制備原理與微觀結(jié)構(gòu)   通過離心誘導(dǎo)離子交換反應(yīng)，結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）和冷凍透射電子顯微鏡（cryo-TEM）觀察，研究PEDOT:PSS離子液體膠體（PILC）油墨的形成機(jī)制。結(jié)果表明，離子液體EMIM:TCB通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)PEDOT膠體顆粒緊密堆積（粒徑18.8±8.1 nm），形成具有高儲存模量（10⁵ Pa）和屈服應(yīng)力（10³ Pa）的 viscoplastic 結(jié)構(gòu)，相比原始PEDOT:PSS顯著提升流變性能。   

圖1. PILC油墨的膠體堆積示意圖與SEM圖像。   

2. PILC油墨的流變性能與打印適性   利用流變儀測試油墨的剪切變稀行為和觸變性，結(jié)合3D打印實驗評估其結(jié)構(gòu)完整性。結(jié)果顯示，PILC油墨在低剪切速率下表現(xiàn)出高粘度（~1 MPa·s）和抗塌陷能力，可打印高縱橫比（4:1）的垂直堆疊結(jié)構(gòu)及2 mm懸空懸垂結(jié)構(gòu)，打印分辨率達(dá)50 µm，優(yōu)于傳統(tǒng)PEDOT:PSS油墨。   

圖2. PILC油墨的流變曲線與3D打印結(jié)構(gòu)示意圖。   

3. PILC電極的導(dǎo)電性與生物相容性  通過四探針法測量導(dǎo)電率，并利用MTT法和LIVE/DEAD染色評估細(xì)胞毒性。結(jié)果表明，PILC電極導(dǎo)電率達(dá)286 S/cm（原始PEDOT:PSS僅1 S/cm），且通過離心去除90%以上的離子液體毒性成分，細(xì)胞存活率與對照組無顯著差異（p>0.05），證實其無后處理生物相容性。   

圖3. PILC電極的導(dǎo)電率對比與細(xì)胞毒性測試結(jié)果。   

4. 3D打印生物電子器件的應(yīng)用驗證   通過直接墨水書寫技術(shù)（DIW）制備3D電路、電子紋身和植入式電極，結(jié)合體內(nèi)外實驗驗證功能性能。結(jié)果顯示，PILC油墨可打印LED互連電路（導(dǎo)通電壓2.6 V）、貼合皮膚的ECG監(jiān)測電極（阻抗200 kΩ·mm²），以及植入小鼠大腦的3D神經(jīng)探針，成功記錄海馬區(qū)5 Hz θ波振蕩信號。   

圖4. 3D打印PILC器件的生理信號監(jiān)測與神經(jīng)記錄應(yīng)用。   

5. 離子液體作用機(jī)制與材料穩(wěn)定性   利用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和拉曼光譜分析氫鍵形成過程，結(jié)合循環(huán)伏安法（CV）測試電荷存儲能力。結(jié)果表明，EMIM:TCB通過離子交換誘導(dǎo)PEDOT鏈從苯醌型向醌型轉(zhuǎn)變，提升導(dǎo)電率；同時，PILC電極在PBS溶液中浸泡30天阻抗波動<5%，顯示長期穩(wěn)定性。   

圖5. PILC油墨的氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)制與電化學(xué)穩(wěn)定性分析。

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種可3D打印的高導(dǎo)電性生物相容性PEDOT:PSS離子液體膠體油墨（PILC），通過離心誘導(dǎo)離子交換反應(yīng)實現(xiàn)了膠體顆粒的緊密堆積，無需后處理即可獲得兼具高結(jié)構(gòu)完整性（儲存模量10⁵ Pa、屈服應(yīng)力10³ Pa）和高導(dǎo)電率（286 S/cm）的特性。實驗表明，PILC油墨可打印高分辨率（~50 µm）、高縱橫比（4:1）的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包括懸空互連電路和3D神經(jīng)探針。其生物相容性通過離心去除毒性離子液體成分得以保障，細(xì)胞存活率達(dá)92%以上。在應(yīng)用層面，PILC油墨成功用于制備可穿戴電子紋身（ECG信號信噪比16.8 dB）和植入式器件，實現(xiàn)了小鼠體內(nèi)坐骨神經(jīng)低電壓刺激（60 mV）和海馬區(qū)深層神經(jīng)信號（5 Hz θ波）的精準(zhǔn)記錄。本研究為快速原型化生物電子器件提供了新策略，有望推動可穿戴醫(yī)療和植入式神經(jīng)接口的發(fā)展。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50264-6