Nature Electronics：3D打印，全方向！

可拉伸电子设备可用于一系列应用，包括生物传感器和刺激电极。特别是，它们可以用于增强生理信号的记录，并通过减少设备与人体之间的机械失配来改善生物组织的电刺激。理想情况下，可拉伸电子产品应具有组织状的物理特性，以及足够的电气性能、机械稳定性和可靠性。随着个性化设备和医学的兴起，为个人量身定制设备的能力将是一个宝贵的补充。

使用导电墨水进行3D打印制造此类设备是一种很有前途的策略。然而，由于弹性导电油墨的流变性能不足，可拉伸电子产品的3D打印仅限于逐层沉积，而非真正的3D制造。

已经探索了三种主要策略来打印可拉伸电子设备。最广泛采用的是弹性导电油墨的逐层沉积。这种策略已被用于使用各种弹性导电油墨（包括银-弹性体复合材料、铂-弹性体复合材料和导电聚合物）以及在各种基材上制造可拉伸电子产品。然而，由于其逐层性质，它本质上仅限于二维结构（“2.5D”）的堆叠。或者，弹性导电油墨的嵌入式印刷可用于直接在矩阵浴中打印3D结构并制造可拉伸的电子设备。这种策略可以创建超越逐层沉积的 3D 结构，但对具有优化流变特性的基质浴的要求增加了打印过程和基板材料选择的复杂性。最后，全向打印以前曾用于制造3D电子设备而不需要矩阵浴，但它仅限于非弹性导电油墨（例如基于银颗粒和液态金属的油墨）导致设备的拉伸性有限。因此，实现可拉伸电子产品的全方向打印仍然具有挑战性。

于此，韩国科学技术研究院Seungjun Chung、Byeongmoon Lee等人报告了使用基于乳剂的弹性导电油墨全方向打印可拉伸电子产品。

为了实现可拉伸电子产品的全方向打印，研究人员开发了一种具有最佳流变性能的弹性导电油墨。该墨水由乳化弹性体复合材料与不混溶的非挥发性溶剂和导电填料（银颗粒和多壁碳纳米管）组成，具有相分离的微观结构。

图|用于弹性导体全向打印的墨水设计

这种墨水具有假塑性和润滑性能，允许全方向打印，同时提供足够的稳定性以自我支撑打印的 3D 结构。可以直接打印电极以创建具有高拉伸性（超过 150% 应变）和高分辨率（最小特征尺寸小于 100 μm）的独立式平面外 3D 几何形状。

图|弹性导体的全向打印

由于油墨中分散相的蒸发，以及多壁碳纳米管对银颗粒的渗透增强，打印材料的电导率可以提高到 6,600 S cm^–1。打印弹性导体在循环变形下表现出良好的机电稳定性，在 50% 应变的 3,000 次循环中表现出稳定的电气性能。为了说明 3D 打印弹性导体的功能，该团队制造了一种带有打印弹性互连的可拉伸皮肤电子设备。该设备可以通过微型发光二极管阵列测量和显示体温。

图|直接写入皮肤电子上的3D结构

总而言之，该研究开发的全方向打印方法可以成为制造用户定制的皮肤电子设备的强大工具。该方法也可用于其他应用，例如软机器人。然而，还有进一步发展和改进的潜力。例如，弹性导体的电导率比金属导体低几个数量级，所展示的全方向打印 3D 结构仅限于相对简单的拱形或悬垂细丝。在全方向打印导体后，手动引入弹性体封装，以提高可拉伸设备的机械和电气稳健性。未来的研究应侧重于提高弹性导体的性能并探索全方向直接墨水书写技术的全部潜力，其中可能包括创建更多样化的 3D 几何形状和开发多材料打印。

参考文献：

Lee, B., Cho, H., Moon, S. et al. Omnidirectional printing of elastic conductors for three-dimensional stretchable electronics. Nat Electron (2023).

https://doi.org/10.1038/s41928-023-00949-5

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