3D打印高導電PEDOT:PSS離子液體膠體在生物電子學領域中的應用
在生物醫學與電子科技交融的前沿領域，一項具有劃時代意義的創新成果正引領著3D生物電子產品制造的新潮流。研究團隊成功開發出一種高導電性、3D可打印且生物兼容的PEDOT:PSS離子液體膠體（PILC），為快速按需制造3D生物電子器件提供了前所未有的可能性。
PEDOT:PSS（聚3,4-乙二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸鹽）作為一種導電聚合物，已在電子皮膚、腦機接口等領域展現出巨大潛力。然而，傳統的制備和加工方法限制了其在復雜三維結構中的應用，尤其是面臨著漫長的后處理時間、高縱橫比打印的挑戰以及導電性不足等問題。針對這些難題，研究團隊通過創新的技術手段，將PEDOT:PSS與離子液體結合，形成了一種新型膠體材料——PILC。
PILC墨水不僅保持了PEDOT:PSS的高導電性（約286 S/cm），還具備了出色的3D打印性能和生物相容性。其粘塑性特質賦予了它強大的3D打印能力，能夠輕松實現高縱橫比的垂直堆積，打印出精細至約50微米的高分辨率結構，甚至創造出令人矚目的懸浮結構。這一特性使得PILC墨水能夠全方位打印3D電路板，在空中精準打印懸浮互連線，輕松構建起復雜的電路連接體系。
圖 1：用于 3D 打印生物電子設備的 PEDOT:PSS 離子液體膠體（PILC）墨水及其優異的結構完整性
圖 2：離子液體促進 PILC 墨水的氫鍵作用，用于高分辨率和高縱橫比的 3D 打印
這張圖聚焦于 PILC 墨水實現高分辨率和高縱橫比 3D 打印的關鍵——離子液體促進的氫鍵作用。（圖 2a）展示離子液體如同“催化劑”，促使 PEDOT:PSS 膠體顆粒緊密相連形成 PILC 墨水。FT - IR 光譜（圖 2b）中，隨著干燥時間增加，–OH 振動峰向低波數移動，表明氫鍵網絡逐漸增大，如同加固的“網”穩定墨水結構。對比 PILC 墨水與傳統 PEDOT:PSS 離子液體復合材料的粘度（圖 2c）和剪切應力（圖 2d），PILC 墨水表現卓越，高粘度與獨特流變特性使其在低剪切速率下維持形狀，這對打印高分辨率（約 50μm，見圖 2e 高分辨率打印圖像）、高縱橫比結構極為關鍵。多層費里斯輪結構的圖像（圖 2f - g）及多層結構打印圖像（圖 2h），生動呈現了 PILC 墨水構建復雜多層結構的強大能力，宛如技藝高超的工匠打造精美作品。
圖 3：通過離心去除離子液體來評估 PILC 墨水的生物兼容性
生物兼容性是生物醫學應用的核心要點，圖 3 展示了 PILC 墨水通過離心去除離子液體獲得出色生物兼容性的過程。離心去除示意圖（圖 3a）顯示這一“凈化之旅”有效分離細胞毒性離子液體成分。從 PILC 電極和 PEDOT:PSS 離子液體復合材料中 EMIM:TCB 關鍵元素（硼和氮）的掃描電子顯微鏡 - 能譜（SEM - EDS）圖譜（圖 3b、c）可知，PILC 電極中硼和氮原子含量顯著減少，表明細胞毒性成分被有效去除。體外 MTT 檢測細胞活力對比（圖 3d）顯示 PILC 電極細胞毒性較原始材料降低，與對照組相似，LIVE/DEAD 細胞活力檢測圖像（圖 3d）直觀證明其高細胞活力。且隨著離心步驟重復，細胞活力進一步改善（補充圖 13），充分說明經離心處理的 PILC 墨水安全可靠，適用于生物電子設備制造，為健康監測與治療提供保障。
圖 4：PILC 墨水實現了 3D 電路的全方位打印
圖 4 呈現了 PILC 墨水在 3D 電路全方位打印的神奇能力。示意圖（圖 4a）清晰展示其用于全方位打印導電互連的原理，開啟通往未來電子世界大門，使復雜 3D 電路構建成為可能。打印的 PILC 墨水 3D 電路大型懸垂結構的頂部視圖（圖 4b）和側面視圖（c）圖像震撼人心，懸垂結構如空中伸展的“手臂”，彰顯其打印挑戰性結構的超強實力。優化后的 PILC 墨水剪切應力（圖 4d）和儲存模量（圖 4e）是全方位打印的關鍵，合適的參數使其能在各方向順利打印，似訓練有素的舞者自由起舞。與之前的 PEDOT:PSS 墨水相比，PILC 墨水儲存模量更優（圖 4f），且其高導電性可作 LED 互連線，LED 關閉（圖 4h）和開啟（圖 4i）的圖像酷炫無比，帶我們步入充滿科技感的未來世界。
在生物電子器件領域，PILC墨水的應用前景廣闊。研究團隊已經利用該材料成功制備了近場通訊（NFC）芯片，實現了在生物皮膚阻隔的條件下與手機端進行無線信號傳輸以及電信號的轉換。此外，PILC墨水打印出的電極與生物組織機械性能高度匹配，可作為柔軟的電極與組織無縫對接，無論是大面積皮膚電子紋身的制作，還是在健康監測中展現出的低界面阻抗特性，都為個性化醫療監測提供了可能。
尤為值得一提的是，PILC墨水在可植入生物電子設備方面的表現同樣令人矚目。其出色的機械穩定性和耐濕性能，使其能夠在體內環境中穩定運行。無論是光遺傳學ECoG記錄，還是低電壓坐骨神經刺激，PILC墨水都能精準高效地完成任務。在小鼠體內模型實驗中，PILC墨水展現出了令人信服的成果，為可植入式無線生物電子器件的制備與開發提供了新的思路。
此外，PILC墨水還通過離心相分離有效去除了細胞毒性的離子液體，在體外MTT檢測和LIVE/DEAD試驗中均展現出卓越的細胞活力。這一生物兼容性的保障，為生物醫學應用筑牢了安全根基。
在此背景下，CELLINK的BIO X6生物打印機成為了實現這一技術突破的得力助手。
作為市場上最靈活的六打印頭生物打印平臺，BIO X6具備強大的打印能力和廣泛的材料兼容性。其內置的電腦和觸控操作系統使得打印過程變得簡單快捷，而大功率雙風扇和HEPA H14頂部雙過濾器則確保了打印室內的空氣潔凈度，為生物材料的打印提供了安全可靠的環境。此外，BIO X6還配備了UV-C滅菌燈，可以對打印室進行消毒，進一步保障了打印過程的無菌性。
綜上所述，3D打印高導電PEDOT:PSS離子液體膠體的成功開發，不僅解決了傳統PEDOT:PSS材料在3D打印中的難題，還為快速定制3D生物電子器件提供了新的途徑。而CELLINK的BIO X6生物打印機則以其強大的打印能力和廣泛的材料兼容性，成為了實現這一技術突破的得力工具。
未來，隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，3D打印生物電子器件將成為生物醫學領域的重要發展方向，有望在疾病治療、健康監測以及神經科學研究等眾多領域開辟全新的發展路徑，推動生物電子學相關產業的迅猛發展。
