从0到1的冲破！麻省理工团队实现导电聚合物的“升维”制造|独家专访

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3D 打印早已火遍全球。相较于传统的制造工艺，3D 打印可以轻松实现器件结构更高的精度和复杂度。但除了关注器件的结构，若何让材料自己在 3D 打印加工进程中保存奇异的材料特征，成为一个有 “灵魂” 的器件，也是一大重点研讨偏向。

克日， 麻省理工学院机械工程系教授赵选贺带领的团队成功将原本是液体状的导电聚合物制成牙膏状的 3D 打印原材料，在实现经过 3D 打印加工的同时，保存了材料原本的导电性能。








赵选贺告诉 DeepTech，该研讨的最大冲破就是提出了对导电聚合物的全新加工制造方式， 实现了对导电聚合物的 3D 打印。此外，这类加工方式较以往的导电聚合物加工方式，在精度上有明显提升，同时在制造本钱和加工时候上则削减了几个数目级。

3 月 30 日，这一功效颁发在了《自然通讯》上 。

导电 “液体” 做成导电“牙膏”

导电聚合物 (Conducting polymers) 是近年来获得众多学者关注的材料，在柔韧性上与塑料相当，同时还有和金属类似的导电性能。这类奇异的材料性能让导电聚合物有着很普遍的利用处景，但今朝这一材料在加工制造环节有很明显的瓶颈。

团队暗示，这些导电聚合物可以较为轻易地作为涂料均匀喷涂在触摸屏概况。但现有的制造工艺难以实现高精度大面积的二维图案，经过 3D 打印制造复杂三维结构更是从未实现过。

假如开辟出可以停止 3D 打印的导电聚合物，将可以操纵这类材料停止大量印刷柔性、外形结构多样的电子器件，例如柔性电路和在脑机接口中利用的神经电极等。

视频 | 3D 打印导电聚合物




图 | 打印而成的器件保存了导电性

据先容，现有针对导电聚合物的加工技术包括：电子束蚀刻（electron beam lithography）、喷墨打印以及类似丝网印刷的方式。

这些方式都存在范围性：喷墨打印和丝网印刷只能获得较低精度的二维导电聚合物器件；电子束蚀刻只能实现较小范围的二维器件，而且本钱很高。因此现阶段，导电聚合物的制造加工是限制该材料进一步成长的关键障碍。

而制造、加工题目也正是赵选贺团队在最新研讨中最关键的冲破。之前人们也已经尝试利用 3D 打印制造导电聚合物，但题目在于导电聚合物在制备出来之前处在一种液体状态，所谓“挤出来就流走”，没法连结原本的形状，这也是此前未能成功停止 3D 打印的首要缘由。

要实现 3D 打印，关键的一步就是处理打印材料的题目。“我们相当于把液体状的导电聚合物酿成了牙膏状。”赵选贺说。

团队在研讨当挑选了聚 3,4 - 乙烯二氧噻吩 / 聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)——一种普遍利用的导电聚合物，常以黝黑或是深蓝色液体形式存在，其中的纳米纤维是该材料具有导电性的关键。

为了将这类材料作为打印原材料送入 3D 打印机，团队需要找到一种方式，在不改变其本身导电性的情况下为其“增稠”。

他们首先将水状的导电聚合物停止冷冻、枯燥，留下了纳米纤维等材料，再将枯燥的纳米纤维与此前开辟的水、有机溶剂夹杂，制成了一种夹杂了纳米纤维的水凝胶。

经过对照发现，当水凝胶中的纳米纤维含量在 5% 到 8% 之间时，材料在形状上就变得像牙膏状，合适作为 3D 打印的原材料，获得各类具有高精度、三维的器件和结构，同时也连结了导电聚合物自己的导电性。




图 | 纳米纤维含量分歧，材料的形状变化

这一做法表现了赵选贺团队对材料的结构和性能有着奇异的了解，“我们终极发现，材料的冷冻、枯燥的进程中，导电聚合物中的纳米纤维会聚集、相互感化，这类感化终极赋予了作为 3D 打印油墨所需要的流变性能。”赵选贺诠释道。

二维向三维的跨越性冲破

在操纵导电聚合物打造各类元器件的进程中，赵选贺暗示，采用 3D 打印的方式能在精度、造价和加工时候等方面较传统工艺有着明显提升。

据先容，今朝普遍利用的丝网印刷和喷墨打印技术只能打印二维元器件，没法打印三维多材料的元器件；同时，这两种制造方式加工精度较低，约为百微米级别，相比之下，3D 打印方式能将精度进步到十几微米，且未来这个精度还有获得进一步冲破的能够；最初在时候上，传统加工时候能够需要几个小时甚至几天时候，现在仅需要几非常钟就能做出不异的器件。

除了丝网印刷和喷墨印刷， 今朝在导电聚合物的制造中也有高精度的制造方式——电子束蚀刻方式。

这类方式可以将制造精度提升到微米级，但由于工艺复杂且需要超净间，造价很是高昂。以神经探头为例，采用蚀刻的方式制造神经探头能够需要花费上千或上万美圆。而赵选贺团队提出的方式可以将本钱下降几个数目级。




不外赵选贺夸大， 最关键的冲破还是在打印 3D 导电聚合物方面实现了从 0 到 1 的冲破。

不但如此，这些 3D 打印的导电聚合物，还能和其他 3D 打印的材料，包括 3D 打印橡胶或是其他 3D 打印聚合物连系起来，构成一个多材料的 3D 打印器件，实现更多利用上的能够性。

3D 打印柔性神经电极

为了考证 3D 打印导电聚合物性能，团队操纵该材料打印出了一个细小的橡胶状电极，作为脑机接口利用中毗连动物大脑和内部装备的神经电极，最细处宽度唯一 10 微米。这一尺寸让该电极可以从单个神经元接管电信号。

团队将电极植入到小鼠的大脑中，当小鼠在自在移动时，神经电极成功从单个神经元中接收到电信号。这一成果证实了该材料未来有望用在脑机接口现实利用中，作为神经电极的出色材料。

视频 | 3D 打印神经电极




图 | 神经电极

脑机接口是指在人大概动物脑部与内部装备间建立的间接毗连通路，用来完成大脑与装备之间的信息交换，其中，侵入式脑机接口首要用于重建特别感受（例如视觉）以及瘫痪病人的活动功用。此类脑机接口凡是间接植入到大脑的灰质。

但大脑是人类最懦弱的器官之一，而大脑植入物凡是由金属和其他刚性材料制成，时候长了能够会形成损伤、炎症、引发免疫反应等，除了能够致使信号质量的衰退甚至消失，形成脑部损伤的成果更是难以接管。

而来自赵选贺团队的 3D 打印聚合物技术，可以轻易做出软性的神经探头，用在脑机接口方面上可以加倍贴合大脑的外形，在更长时候里与大脑毗连，同时削减刚性材料对脑构造带来的危险。

“传统上，电极是刚性的金属，一旦发生振动，这些金属电极能够会损坏脑构造，”赵选贺暗示，实验成果表白我们可以利用柔性的材料作为神经电极取代刚性的金属。

“与此同时，这类探头还可以连结与金属电极相当的材料特征和功用。”赵选贺暗示， 3D 打印而成的导电聚合物的生物电学性能、与神经打仗时表示出来的电学性能甚至比金属更好。

在赵选贺看来，对最新的研讨功效来说，建造神经电极是一个很是具有代表性的利用处景，表现了既具有柔性又具有导电性的材料上风。

但他同时夸大，这仅仅是一个用以证实材料性能的例子，并不是这项研讨工作的首要方面，脑机接口也不是这一材料的唯一利用处景。

当导电聚合物可以经过 3D 打印制造各类具有高精度、三维的器件和结构时，它就比二维器件有加倍普遍的利用远景，比如三维的电路、三维的传感器、三维的催化剂、三维的电池电极等，从二维到三维的冲破为未来的各类器件供给了更多能够性。

http://news.mit.edu/2020/engineers-3d-print-brain-implants-0330

（https://rdcu.be/b3iT7）