Нейронный зонд из проводящего полимера напечатали на 3D-принтере

Инженеры разработали новый способ 3D-печати из проводящего полимера. Выдавливание раствора полимера PEDOT:PSS с концентрацией в 7 процентов позволило быстро получать тонкие структуры в 30 микрометров с высокой воспроизводимостью. Для проверки качества нового способа ученые напечатали и подключили нейронный зонд для мыши. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Проводящие полимерные материалы могут найти применение в хранении энергии, гибкой электронике и биоэлектронике благодаря своим электрическим, механическим и биосовместимым свойствами. Однако несмотря на последние достижения в области проводящих полимеров, изготовление конструкций и устройств на их основе до сих пор ограничено традиционными методами, такими как струйная и трафаретная печать, электрохимическое нанесение и литография. У каждого из этих методов есть свои недостатки и сложности. Например, эти способы ограничены двумерными структурами с низким разрешением, то есть с толщиной нитей не менее 100 микрометров, а также они очень затратны и имеют сложный многоступенчатый процесс производства. Эти условия препятствуют широкому использованию устройств с проводящими полимерами.

С другой стороны, современные способы 3D-печати предоставляют возможности для быстрого программируемого производства трехмерных структур с микронным разрешением. К настоящему моменту список материалов, которые можно использовать в 3D-печати, значительно вырос: металлы, гидрогели, биочернила из клеточных агрегатов, стекла, жидкокристаллические полимеры и ферромагнитные эластомеры. Но работы по изучению 3D-печати проводящих полимеров ограничены печатью изолированной нити из-за плохой способности к печати существующих проводящих полимеров.

Ю Хен-У (Hyunwoo Yuk) из Массачусетского технологического института со своими коллегами обнаружил способный к 3D-печати проводящий полимер и напечатал из него многоэлектродный ансамбль, высокоплотную гибкую электронную микросхему и нейронный зонд для мышиного гиппокампа. Этим полимером оказался давно известный поли(3,4-этилендиокситиофен) сопряженный с сульфонатом полистирола (PEDOT:PSS), водный раствор которого широко доступен в промышленных масштабах.

Чтобы получить пригодный пастообразный проводящий полимер для печати, исходный водный раствор полимера последовательно замораживают при температуре жидкого азота, лиофилизируют и повторно диспергируют в растворе воды и органического растворителя диметилсульфоксида. Полученный раствор с концентрацией пять-семь процентов приемлем для 3D-печати, при меньшей концентрации получаемые структуры разжижаются, а при большей — застревают в сопле экструдера из-за большой вязкости. Получаемые из такого материала полосы обладают высоким разрешением в 30 микрон и большой точностью воспроизведения в 20 слоев.

Высушенные и отожженные напечатанные изделия обладают высокой проводимостью в 155 сименс на сантиметр и гибкостью, что очень важно для применения в гибкой электронике. Более того, высушенные изделия могут быть возвращены в состояние мягкого гидрогеля с модулем Юнга в 1,1 мегапаскаль простым выдерживанием при влажных условиях. А потому сухие проводящие полимеры обволакивают в защитные слои диэлектрика полидиметилсилоксана, получаемые тем же самым методом.

Чистый водный раствор PEDOT:PSS представляет собой равномерно распределенные в растворе нанонити полимера с вязкостью меньше 30 пуаз. Ученые вдохновились 3D-печатью концентрированной суспензии нанонитей целлюлозы и предположили, что более концентрированный раствор может проявлять необходимые свойства для печати за счет запутывания этих нитей между собой. С увеличением концентрации раствор переходил из жидкого состояния в тиксотропное состояние — вещество разжижается при механическом воздействии и сгущается при его отсутствии — за счет образования обратимых запутанных сетей из полимерных нанонитей. Полученная полимерная паста сохраняла свою способность к печати больше месяца.

Для подтверждения способности к печати ученые провели серию технологических испытаний. Для начала они успешно напечатали мелкие сетки с толщиной нитей в 200, 100, 50 и 30 микрометров, при исследовании которых они выяснили, что при уменьшении размера нити, увеличивается проводимость. Этот факт они объяснили тем, что при узком сопле в струе возникает большее давление, а потому проводящий полимер получается более плотным, из-за чего повышается количество проводящих нитей полимера. Затем они последовательно нанесли 100-микрометровые сетки друг на друга и получили 20 полимерных слоев с высокой точностью. Чтобы доказать, что 3D-печать проводящих полимеров с легкостью может комбинироваться с другими печатаемыми материалами, ученые за полчаса напечатали сложную структуру мультиэлектродного массива, который сейчас получается из золота многостадийной литографией и пост-сборкой компонентов.

Для показательного применения биоэлектроники ученые напечатали за 20 минут нейронный зонд из проводящего полимера, облаченный в полидиметилсилоксан. Это устройство предназначено для записи биоэлектрических сигналов мозга in vivo. После сборки устройства зонд был вживлен в дорсальную часть гиппокампа лабораторной мыши, которая успешно передвигалась с ним более двух недель.

Таким образом, ученые разработали быстрый и простой метод 3D-печати для производства различных устройств из распространенного проводящего полимера PEDOT:PSS, это позволит продвинуть современные исследования к промышленному использованию. PEDOT:PSS интересный полимер за счет своих электрических и механических свойств. Еще пять лет назад на его основе сделали ткань для умной одежды, которая способна распознавать широкий спектр движений.

Артем Моськин