Гидрогели представляют собой трехмерные (3D) полимерные сетки, которые не растворяются в воде, но удерживают большое количество жидкости. Благодаря этому выгодному свойству гидрогели являются особенно многообещающими материальными платформами как для биомедицинских, так и для экологических приложений, поскольку они могут выживать в жидкостях организма или во влажной природной среде, не рассеиваясь.

За последнее десятилетие инженеры и материаловеды разработали многочисленные электронные устройства на основе мягких гидрогелей, в том числе экологические и биомедицинские датчики, устройства для доставки лекарств и искусственные ткани. Несмотря на огромный потенциал этих устройств на основе гидрогеля , их широкое внедрение до сих пор сдерживается высокой стоимостью производства.

Исследовательская группа под руководством доктора Наньцзя Чжоу из Университета Вестлейк и Института перспективных исследований Вестлейка в Китае недавно представила новую стратегию, позволяющую 3D-печать электроники из мягкого гидрогеля. Их подход, представленный в статье, опубликованной в Nature Electronics , может помочь снизить стоимость производства многочисленных устройств на основе гидрогеля, включая датчики деформации, катушки индуктивности и биологические электроды.

«Мы решили изучить производство гидрогеля, потому что, хотя большая часть современной мягкой электроники основана на гибких эластомерах и полимерах, гидрогель, несомненно, больше похож на человеческий организм и может привести к лучшей интеграции тканей и снижению иммунных реакций», — д-р Юэ Хуэй, — рассказал TechXplore один из исследователей, проводивших исследование. «Как показали предыдущие исследования, мы считаем, что гидрогель является многообещающим кандидатом для создания будущих медицинских электронных устройств».

Основная цель недавнего исследования Хуи и его коллег заключалась в том, чтобы разработать эффективную стратегию для производства все более сложной и полезной в биомедицинском отношении электроники на основе гидрогеля. Предлагаемый ими подход основан на технологии 3D-печати , в частности, с использованием поддерживающей матрицы на основе гидрогеля и растяжимых серебряно-гидрогелевых чернил.

«Разработанный нами метод встроенной 3D-печати включает в себя печать произвольной формы проводящими гидрогелевыми чернилами на поддерживающей гидрогелевой матрице и последующее отверждение двух частей для формирования мягкого и растяжимого электронного устройства», — пояснил Хуэй. «Они основаны на подходящих реологических свойствах матрицы и чернил, а также на ортогональном механизме отверждения альгината и полиакриламида, которые являются основными компонентами гидрогеля».

Исследователи обнаружили, что сочетание проводящего наполнителя (например, чешуек серебра) с гранулированными частицами геля приводит к образованию сегрегированной структуры в проводящей краске для 3D-печати. Эти чернила продемонстрировали замечательную электропроводность более 1400 См/см.

Чтобы продемонстрировать осуществимость предложенной ими стратегии, Хуи и его коллеги использовали ее для создания серии электроники на основе гидрогеля, включая датчики деформации, катушки индуктивности и биологические электроды. Было обнаружено, что полученные устройства работают исключительно хорошо, что позволяет предположить, что этот подход можно использовать для создания ряда новых технологий на основе гидрогеля.

«Как показано в нашей статье, наш метод можно использовать для изготовления различных электронных устройств на гидрогеле с различными функциональными возможностями», — сказал Хуэй. «В частности, мы можем напрямую печатать открытые электроды, которые могут общаться с внешним миром, и мы можем включать такие компоненты, как светодиоды и микросхемы, в схемы с помощью печати. ​​Наши результаты показывают, что с тонким дизайном мы действительно можем создавать функциональные электронные устройства из гидрогеля».

В будущем недавняя работа этой группы исследователей может позволить производить более сложную и изощренную электронику на основе гидрогеля, включая биомедицинские устройства и новые технологии для мониторинга окружающей среды. Хуи и его коллеги в настоящее время работают над улучшением своей стратегии 3D- печати , чтобы еще больше облегчить ее практическую и крупномасштабную реализацию.

«Теперь мы будем продолжать оптимизировать материалы и методы», — добавил Хуэй. «Например, систематическое и теоретическое исследование проводящих чернил с сегрегированной структурой все еще отсутствует, что может стать ключом к дальнейшему улучшению их проводимости. Мы также планируем разработать и изготовить биомедицинские устройства и проверить их функциональность на животных».