导   语 

柔性电子器件的诞生使得传感器、致动器、微流体和电子器件在柔性、保形和可拉伸亚层上的设计照进现实，这能够解决可穿戴、可植入以及可消化等康复领域中的关键问题。然而，与人体组织相比，这些设备的机械和生物性能有很大的不同，因此难以与人体完美地合二为一。近日，一项研究开发了一种新型生物材料的3D墨水，它模仿了像皮肤一样的高导电性人体组织的固有特征，这是对于康复领域中3D打印技术的应用是非常重要的。

01、研究背景

3D打印又称增材制造 ，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。近些年，3D打印技术在康复领域的研究逐渐开展，3D打印技术这一新兴技术正加速应用于医疗领域，包括骨科、神经外科、矫形科、康复科、心内科、皮肤科、口腔科等众多科室。近日，一项研究开发了一种新型生物材料的3D墨水，它模仿了像皮肤一样的高导电性人体组织的固有特征，这是对于康复领域中3D打印技术的应用是非常重要的。

该研究采用的生物材料利用了一种二硫化钼(MoS2)的新型2D纳米材料。MoS2的薄层结构的中心含有缺口，这使其具有较高的化学活性，并可与明胶结合，产生一种可媲美果冻结构的柔性水凝胶。

该项研究发表在《ACS Nano》上。

生物医学工程系副教授Akhilesh Gaharwar博士表示:“这项工作对3D打印的影响是深远的。新设计的水凝胶墨水具有高度的生物相容性和导电性能，为下一代可穿戴和可植入的生物电子产品铺平了道路。”

02、 研究概述

该研究通过调节硫和钼前驱体的比例以及水热途径合成了MoS2纳米组件，在合成过程中，钼与硫(硫脲)前驱体的比例从1:1到1:6不等，以调节缺陷密度。钼以三角棱柱配位与6个硫原子结合，而硫以金字塔配位与6个钼原子结合。这种配位几何的结果是形成一个层状结构与连接三角棱镜，导致层硫原子夹钼原子。单独的MoS2纳米薄片形成一个分层的组装成纳米组件。通过扫描电子显微镜(SEM)观察MoS2纳米组装体，团聚体的尺寸为约1μm。此外，对MoS2纳米组件进行了x射线衍射(XRD)和x射线光电子能谱(XPS)测试，以验证其六方2H相排列。MoS2纳米组件(002、100、103、105和110)的衍射图峰与六方MoS2重合。73-1508)，表明合成的纳米组装物纯度高。用舍勒方程计算晶粒大小，结果显示晶粒大小约为5.26 nm。对1:6MoS2纳米组装物进行XPS表征，Mo和S的峰被反卷积。这些研究证实了MoS2的化学成分保持不变，并在MoS2纳米组件中形成2H相。

3D打印墨水的合成与制备方法

这种方法生产的墨水具有剪切稀释特性，随着力的增加粘度会下降，所以它在管内是固体，但被挤压时更像类似于番茄酱或牙膏一样的流动的液体。该团队将这些导电纳米材料结合在一种改性明胶中，从而制造出一种水凝胶墨水，其特性对于设计有利于3D打印的墨水至关重要。

生物医学工程系研究生、该论文的主要作者Kaivalya Deo表示：“这些3d打印设备具有极强的弹性，可以被压缩、弯曲或扭曲而不断裂，此外，这些设备是电子主动的，使它们能够监测人体的动态动作，为连续运动监测铺平了道路。”

凝胶的化学特性

为了3D打印材料，Gaharwar实验室的研究人员设计了一种成本低、开源、多头的3D生物打印机，该打印机不但功能齐全且可定制并可在开源工具和免费软件上运行，这也使得任何研究人员可构建3D生物打印机，以满足他们自己的研究需求。

这种导电的3D打印水凝胶墨水可以创建复杂的3D电路，而且不局限于平面设计，使研究人员能够根据患者的具体要求定制生物电子产品。

利用这些3D打印机，能打印出电活性和可拉伸的电子设备。这些设备具有非凡的应变传感能力，可用于工程定制监测系统。这也为设计集成微电子元件的可伸缩传感器提供了可能性。

墨水的电化学特性

03、研究意义

该研究提出了一种简单和方便的制造柔性生物电子器件的全新纳米工程3D打印墨水方法，并通过高弹性生物相容性的水凝胶网络与混合电导率证明该方法的可行性。这些水凝胶复合材料是在没有任何外部刺激或引发剂的情况下使用缺陷丰富的MoS2纳米组件制备的，这些纳米组件作为共价交联和电子导电性的活性中心。MoS2纳米组件的光响应特性可用于设计3d打印的光驱动导电器件，并进一步用于生物医学及康复领域。

这种新型墨水的潜在应用之一是为帕金森氏症患者3D打印电子探头。研究人员设想这种打印的电子探头可以监测病人如震颤等运动情况。

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内容来源https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c09386