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由共轭聚合物制备的水凝胶，尤其是聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（4-苯乙烯磺酸）（PEDOT：PSS），已被证实具有卓越的导电性能，同时能有效促进细胞的增殖与粘附。PEDOT：PSS凭借其在化学稳定性、耐热性及抗氧化性等方面的突出优势，在生物医学及柔性电子学领域备受瞩目。然而，传统的制造技术在构造复杂三维形态方面存在局限，这使得立体光刻（SLA）和双光子聚合（TPP）等光聚合技术应运而生，因其能高效构建精密三维结构且对原料流变性要求较低而备受关注。与SLA等单光子过程不同，TPP技术依赖于光引发剂对双光子的同时吸收，实现亚微米级特征的精准固化，不仅适用于广泛的商业化丙烯酸酯树脂，还促进了含有增强填料或水凝胶的多功能聚合物材料的研发，进一步拓宽了TPP技术的应用范畴，涵盖柔性电子元件、分级结构及三维细胞支架等领域。
尽管TPP技术在功能性器件制造方面取得显著进展，但其导电性增强仍高度依赖于金属纳米粒子的运用，此类粒子可能释放活性氧，对周围细胞造成伤害，加之金属载量受限，限制了其在生物电子领域的全面应用潜力。因此，生物相容性PEDOT:PSS水凝胶在TPP工艺中的适用性研究尚处于起步阶段。
在此背景下，伊利诺伊大学芝加哥分校的研究团队创新性地设计了一种PEDOT:PSS/PEO复合导电水凝胶材料（简称PPCH），并通过TPP工艺成功实现了高分辨率3D结构的打印。通过一系列详尽的测试，包括粘度测定、膨胀特性分析、导电性评估及生物相容性检验，PPCH材料的各项性能得到了全面的表征，并通过优化TPP打印参数以适应PPCH材料的特性。实验进一步展示了采用该新型PPCH材料打印出的二维及三维微结构，包括导电微线条、微电容器，这些结构展现出优异的电子传输、能量储存及传感性能。此外，为组织工程定制的三维支架打印成品不仅具备高度结构精确性，还在人类诱导多能干细胞(hiPSC)培养实验中，证实了PPCH材料良好的生物相容性与促进细胞生长的能力，为生物医学及组织工程应用提供了新的可能性。
相关研究成果以题为“Direct printing of conductive hydrogels using two-photon polymerization”的论文发表在《Additive Manufacturing》上。
图1. 基于PPCH材料的TPP工艺微纳制造设备及工艺流程图。
图2. PPCH材料具有交联能力的证明结果：（a）通过DLP光固化制备的具有不同几何形状PPCH材料的光学图像，（b）10%PPCH在不同时间间隔下形成的水凝胶盘的膨胀行为，（c）不同PEO浓度下印刷PPCH材料的直径增长(ΔD)图像，（d）不含PEO和含10% PEO的PPCH结构在DI中浸泡24小时后的光学图像。
图3. 通过TPP工艺制备采用的10%PPCH微电容器阵列：（a）普通间隙型微电容器的SEM图像，（b）数字间型微电容器的SEM图像，（c）微电容器阵列的I/V迟滞回线，（d)乙醇加湿前后PPCH微丝的I/V曲线。
图4. （a）支架整体结构的SEM图像，（b）（a）中30°倾斜的3D支架边缘SEM图像放大图。生物相容性结果：（c）基于活/死实验的细胞存活率(平均值±标准差; n = 3)，（d）4 h后活/死细胞在导电水凝胶薄膜上的荧光图像，（e）24 h后活/死细胞在导电水凝胶薄膜上的荧光图像。
-编辑：王云飞-
-审核：丁孝禹-
-终审：王梁-
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浙江工业大学
激光先进制造研究院
