3D打印高导电PEDOT:PSS离子液体胶体在生物电子学领域中的应用
在生物医学与电子科技交融的前沿领域，一项具有划时代意义的创新成果正引领着3D生物电子产品制造的新潮流。研究团队成功开发出一种高导电性、3D可打印且生物兼容的PEDOT:PSS离子液体胶体（PILC），为快速按需制造3D生物电子器件提供了前所未有的可能性。
PEDOT:PSS（聚3,4-乙二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐）作为一种导电聚合物，已在电子皮肤、脑机接口等领域展现出巨大潜力。然而，传统的制备和加工方法限制了其在复杂三维结构中的应用，尤其是面临着漫长的后处理时间、高纵横比打印的挑战以及导电性不足等问题。针对这些难题，研究团队通过创新的技术手段，将PEDOT:PSS与离子液体结合，形成了一种新型胶体材料——PILC。
PILC墨水不仅保持了PEDOT:PSS的高导电性（约286 S/cm），还具备了出色的3D打印性能和生物相容性。其粘塑性特质赋予了它强大的3D打印能力，能够轻松实现高纵横比的垂直堆积，打印出精细至约50微米的高分辨率结构，甚至创造出令人瞩目的悬浮结构。这一特性使得PILC墨水能够全方位打印3D电路板，在空中精准打印悬浮互连线，轻松构建起复杂的电路连接体系。
图 1：用于 3D 打印生物电子设备的 PEDOT:PSS 离子液体胶体（PILC）墨水及其优异的结构完整性
图 2：离子液体促进 PILC 墨水的氢键作用，用于高分辨率和高纵横比的 3D 打印
这张图聚焦于 PILC 墨水实现高分辨率和高纵横比 3D 打印的关键——离子液体促进的氢键作用。（图 2a）展示离子液体如同“催化剂”，促使 PEDOT:PSS 胶体颗粒紧密相连形成 PILC 墨水。FT - IR 光谱（图 2b）中，随着干燥时间增加，–OH 振动峰向低波数移动，表明氢键网络逐渐增大，如同加固的“网”稳定墨水结构。对比 PILC 墨水与传统 PEDOT:PSS 离子液体复合材料的粘度（图 2c）和剪切应力（图 2d），PILC 墨水表现卓越，高粘度与独特流变特性使其在低剪切速率下维持形状，这对打印高分辨率（约 50μm，见图 2e 高分辨率打印图像）、高纵横比结构极为关键。多层费里斯轮结构的图像（图 2f - g）及多层结构打印图像（图 2h），生动呈现了 PILC 墨水构建复杂多层结构的强大能力，宛如技艺高超的工匠打造精美作品。
图 3：通过离心去除离子液体来评估 PILC 墨水的生物兼容性
生物兼容性是生物医学应用的核心要点，图 3 展示了 PILC 墨水通过离心去除离子液体获得出色生物兼容性的过程。离心去除示意图（图 3a）显示这一“净化之旅”有效分离细胞毒性离子液体成分。从 PILC 电极和 PEDOT:PSS 离子液体复合材料中 EMIM:TCB 关键元素（硼和氮）的扫描电子显微镜 - 能谱（SEM - EDS）图谱（图 3b、c）可知，PILC 电极中硼和氮原子含量显著减少，表明细胞毒性成分被有效去除。体外 MTT 检测细胞活力对比（图 3d）显示 PILC 电极细胞毒性较原始材料降低，与对照组相似，LIVE/DEAD 细胞活力检测图像（图 3d）直观证明其高细胞活力。且随着离心步骤重复，细胞活力进一步改善（补充图 13），充分说明经离心处理的 PILC 墨水安全可靠，适用于生物电子设备制造，为健康监测与治疗提供保障。
图 4：PILC 墨水实现了 3D 电路的全方位打印
图 4 呈现了 PILC 墨水在 3D 电路全方位打印的神奇能力。示意图（图 4a）清晰展示其用于全方位打印导电互连的原理，开启通往未来电子世界大门，使复杂 3D 电路构建成为可能。打印的 PILC 墨水 3D 电路大型悬垂结构的顶部视图（图 4b）和侧面视图（c）图像震撼人心，悬垂结构如空中伸展的“手臂”，彰显其打印挑战性结构的超强实力。优化后的 PILC 墨水剪切应力（图 4d）和储存模量（图 4e）是全方位打印的关键，合适的参数使其能在各方向顺利打印，似训练有素的舞者自由起舞。与之前的 PEDOT:PSS 墨水相比，PILC 墨水储存模量更优（图 4f），且其高导电性可作 LED 互连线，LED 关闭（图 4h）和开启（图 4i）的图像酷炫无比，带我们步入充满科技感的未来世界。
在生物电子器件领域，PILC墨水的应用前景广阔。研究团队已经利用该材料成功制备了近场通讯（NFC）芯片，实现了在生物皮肤阻隔的条件下与手机端进行无线信号传输以及电信号的转换。此外，PILC墨水打印出的电极与生物组织机械性能高度匹配，可作为柔软的电极与组织无缝对接，无论是大面积皮肤电子纹身的制作，还是在健康监测中展现出的低界面阻抗特性，都为个性化医疗监测提供了可能。
尤为值得一提的是，PILC墨水在可植入生物电子设备方面的表现同样令人瞩目。其出色的机械稳定性和耐湿性能，使其能够在体内环境中稳定运行。无论是光遗传学ECoG记录，还是低电压坐骨神经刺激，PILC墨水都能精准高效地完成任务。在小鼠体内模型实验中，PILC墨水展现出了令人信服的成果，为可植入式无线生物电子器件的制备与开发提供了新的思路。
此外，PILC墨水还通过离心相分离有效去除了细胞毒性的离子液体，在体外MTT检测和LIVE/DEAD试验中均展现出卓越的细胞活力。这一生物兼容性的保障，为生物医学应用筑牢了安全根基。
在此背景下，CELLINK的BIO X6生物打印机成为了实现这一技术突破的得力助手。
作为市场上最灵活的六打印头生物打印平台，BIO X6具备强大的打印能力和广泛的材料兼容性。其内置的电脑和触控操作系统使得打印过程变得简单快捷，而大功率双风扇和HEPA H14顶部双过滤器则确保了打印室内的空气洁净度，为生物材料的打印提供了安全可靠的环境。此外，BIO X6还配备了UV-C灭菌灯，可以对打印室进行消毒，进一步保障了打印过程的无菌性。
综上所述，3D打印高导电PEDOT:PSS离子液体胶体的成功开发，不仅解决了传统PEDOT:PSS材料在3D打印中的难题，还为快速定制3D生物电子器件提供了新的途径。而CELLINK的BIO X6生物打印机则以其强大的打印能力和广泛的材料兼容性，成为了实现这一技术突破的得力工具。
未来，随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，3D打印生物电子器件将成为生物医学领域的重要发展方向，有望在疾病治疗、健康监测以及神经科学研究等众多领域开辟全新的发展路径，推动生物电子学相关产业的迅猛发展。
