电子和人工智能 (AI) 工具的快速发展为广泛应用的技术开发带来了令人瞩目的机遇。这些技术包括用于支持医疗状况治疗、监测生物过程或增强人类能力的植入式设备。
首尔国立大学、韩国科学技术院 (KAIST)、建国大学和汉阳大学的研究人员最近发明了一种基于纯导电聚合物的新型水凝胶，可用于制造生物相容性设备。
《自然电子》杂志发表的一篇论文介绍了这种水凝胶，与过去开发的其他类似材料相比，它更容易生产，也更适合特定应用。
论文共同作者 Seung Hwan Ko 告诉 Tech Xplore：“直接植入人体的电子设备尚无法摆脱传统硬质材料的影响，因此长期植入会导致与软生物组织机械不匹配引起的免疫反应等副作用，这是严重风险。”
“为了解决这个问题，人们正在使用与我们的身体具有相似特性的软材料(例如，低杨氏模量、高含水量)来开发电子产品，但它们面临着在潮湿的生理环境中设备性能差和机械稳定性弱的局限性。”
五年多来，Ko 和他的同事们一直在开发新型软材料，采用各种加工技术来确保它们在潮湿环境(例如人体内部)中的稳定性。
他们最近的研究重点是水凝胶，这是一种与人体最相似的人造材料，因为它们的特点是所谓的杨氏模量低(即在施加力时承受长度变化的能力)和含水量高。
Ko 解释说：“为了确保导电水凝胶的高电导性，我们没有使用绝缘聚合物，而是只处理纯导电聚合物(PEDOT：PSS)。”
“我们研究的主要目标是制造极其稳定的导电水凝胶电子设备，确保水凝胶设备的电气性能大大超过目前的设备，并通过简单的工艺在微尺度上实现这些特性。”
在 2022 年发表的一篇论文中，研究人员介绍了一种导电水凝胶微图案化工艺，该工艺需要激光诱导 PEDOT：PSS 分离。
然而，厚而暗的PEDOT：PSS很容易吸收大多数波长的可见光，因此他们发现他们提出的技术无法将光热能传递到基底上，也无法形成牢固的键。
Ko 表示：“随着我们 2022 年论文的发表，人们普遍担心大多数现有的导电水凝胶电子产品无法克服实际使用的限制，因为它们很容易从湿体内部的基板上脱落。在我们的新论文中，我们在‘界面’找到了解决这个问题的灵感。我们的想法是通过将激光的光热能集中在界面上，与 PEDOT:PSS 和基板建立直接结合。”
由于大多数软性聚合物基底可以透射大部分可见光，Ko 和他的同事决定翻转 PEDOT:PSS 涂层的透明基底，并用 532 nm 的激光束照射它们。这束激光穿过透明基底，使聚合物 PEDOT:PSS 吸收它并在与基底的界面处产生集中的光热能。
Ko 表示：“随后将经过激光处理的样品浸入水中，由于 PEDOT:PSS 的相分离和与基材的牢固结合，只有经过激光处理的区域在水中保持高度稳定。”“这种独特的 PEDOT:PSS 图案变成了导电水凝胶，可以容纳 80% 以上的水，并且仅由纯导电聚合物组成，确保超过 100 S/cm 的高电导率。”
研究人员采用的激光辅助微图案化策略仅需要激光照射，因此无需复杂的预处理步骤。其唯一要求是在聚合物基底上仔细干燥 PEDOT:PSS，并明确定义激光扫描条件。
Ko 表示：“本质上，我们将 PEDOT:PSS 溶液滴在各种聚合物基底上，然后充分干燥。然后以适当的激光束参数照射透明基底，从而诱导 PEDOT:PSS 相分离并与基底形成牢固的结合。此外，PEDOT:PSS 的相分离可以进一步增加，以增强电导率，并且可以使用各种有机溶剂进行后处理。”
作为他们最近研究的一部分，研究人员使用乙二醇专门处理了他们的水凝胶。利用他们提出的策略，他们制作出了一种分辨率为 5 微米的水凝胶图案，这与使用光刻技术实现的分辨率相当。
Ko 表示：“各种基于溶液的工艺也可以轻松地对导电水凝胶进行图案化。通常，导电水凝胶是在溶液状态下合成或制成混合物，因此它们通过各种溶液工艺进行图案化，例如 3D 打印、喷墨打印和丝网印刷。由于液体扩散效应，这些工艺的空间分辨率限制在 100 微米以上。”
光刻技术是实现水凝胶高分辨率图案化的最先进方法之一。虽然该技术可以实现良好的分辨率，但它也需要复杂且昂贵的制造工艺，并且无法保证聚合物与基材的牢固结合。
Ko 表示：“通常情况下，软水凝胶电子产品被认为非常脆弱，研究领域一直有一种默契，认为现在将其投入实际应用还为时过早。此外，由于导电水凝胶微电极富含水分，存在严重的脱层风险，因此目前还不清楚其是否适合长期植入。
“我们的工作意义重大，因为我们表明，仅用纯导电水凝胶制成的微电子产品就能以高结合力粘附在各种商用聚合物基材上，并可长期稳定使用。”
在初步测试中，Ko等人制备的水凝胶取得了显著的效果，在潮湿条件下表现出良好的粘合性和稳定性。此外，他们发现，即使在强力超声波清洗后，水凝胶仍能保持其粘合强度，这对植入式设备的开发非常有利。
Ko 表示：“我们通过对界面进行各种深入分析，探索了这种强键合的机制。我们相信，我们的研究将为在潮湿环境下运行的各种电子应用提供有益的见解。”
该研究小组最近的研究可能很快会为开发可在人体内运行的新型电子产品铺平道路。Ko 和他的同事已经开始使用他们的微图案技术来制造生物相容性的软水凝胶电子元件。
Ko 补充道：“在下一项研究中，我们计划确定我们的软电子器件可以可靠使用的具体临床应用。此外，我们工艺的一大优势是其处理速度快。它能够快速制作出适合不同形状器官的设备原型。因此，我们计划开发可应用于需要形状优化的小器官的水凝胶微电子器件。”