港科大杨征保教授Science Advances：压电生物薄膜3D打印卷王，一天打印8600 mm

学术 2024-11-11 10:15 四川

▲第一作者：李学木、张卓敏、郑毅

通讯作者：杨征保教授

通讯单位：香港科技大学

DOI：10.1126/sciadv.adq3195 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

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香港科技大学杨征保教授课题组在Science Advances杂志上发表的论文，开发了一种名为“热-电驱动的气溶胶打印”（Thermal-electric Aerosol Printing，TEA Printing）的方法，用于卷对卷制备压电生物薄膜，能够在一天内3D打印出8600mm长的薄膜卷材。“卷对卷”工艺通常用于生产电池、发光二极管等器件，研究者们将这种高通量技术与TEA打印技术相结合，实现了一步、高通量连续压电生物薄膜3D打印，打印速度比现存制备工艺高2个数量级，这意味着该技术可以直接应用于生物医学、生物电子学等领域。

研究背景

自 1880 年在单晶罗谢尔盐中发现压电现象，并随后将其扩展到多晶陶瓷和聚合物以来，压电材料已成为微电子、光学、声学和能源相关科学和技术创新中无处不在的关键组成部分。对微型/柔性生物电子、可穿戴/植入式微型设备和生物组织治疗的需求不断激增，激发了人们对开发生物友好型压电材料的不懈追求。与陶瓷和聚合物相比，天然压电生物材料由于其出色的便携性、生物相容性、生物降解性等优势，是上述应用的绝佳压电材料。自1941年以来，人们已在许多生物材料中发现了压电现象，例如皮肤、肌腱、软骨、韧带、角膜、巩膜、木材、丝绸、几丁质和氨基酸。然而，由于宏观压电性较弱、机械性能较差且无法大规模生产，因此在实际应用中仍存在技术挑战。各种压电生物材料（如氨基酸和肽）固有的复杂结构使其无法像压电陶瓷一样通过电极化展现出宏观压电性。目前基于外溶液、蒸发和异质表面的自组装策略来制造压电生物分子结构的策略，由于域对齐过程耗时且对生物分子生长的主动控制有限，这些方法在跨尺度和程序化制造方面仍然面临挑战。

图文解析

图1展现了TEA 打印策略。为了实现基于气溶胶的打印，我们首先将生物墨水（以甘氨酸/PVP 复合墨水为例）通过电流体动力雾化成微尺度液滴，然后液滴进一步分裂成纳米液滴，并实现动态扩散。随着雾化液滴中的溶剂蒸发，由于纳米限制效应，促进了β相的压电甘氨酸多晶成核。在这个过程中，直流电场可以原位操纵飞行中晶体的畴排列，并诱导其与电场平行的极化方向 [020]。将“卷对卷”工艺与TEA打印技术相结合，实现了一步、高通量连续压电生物薄膜3D打印。

图1 TEA 打印策略

甘氨酸/PVP压电薄膜的打印依赖于两个假设（图2）：（i）气溶胶在飞行过程中成核结晶；（ii）原位畴排列。在TEA 打印过程中，只有在成核过程发生在溶剂完全蒸发之前才能实现成核结晶和原位畴排列，即成核时间延迟（τ _d = T _d / T_e）小于临界过饱和后溶剂蒸发的时间[τ a = ( T_e − t ^*)/T_e ]。

图2. TEA 打印过程优化

甘氨酸晶体的固有刚性对柔性电子应用提出了挑战，TEA打印方法制备的甘氨酸/PVP压电薄膜的杨氏模量大约180-440 MPa。它们的杨氏模量比甘氨酸晶体小近两个数量级，比商用压电陶瓷PZT 小三个数量级（图3A，B）。柔软连续的PVP可以有效消散对甘氨酸晶体的机械冲击。同时，PVP 对纳米甘氨酸晶体的完美包裹也大大减少了薄膜的缺陷点，有利于其柔韧性。居里温度是压铁电材料一个热特性点，β-甘氨酸一般为亚稳态，并在 67°C 时极易转变为 α 型。通过 TEA 打印制备的 β-甘氨酸纳米晶体在高温下表现出对相变的更高稳定性，β-甘氨酸/PVP薄膜的压电失效温度在180°到185°C 之间（图3C，D）。利用压电响应力显微镜 (PFM) 和准静态d₃₃计测量甘氨酸/PVP薄膜的压电系数d₃₃为8至10.4pm/V，优于大多数已报道的天然生物材料。g₃₃为190×10⁻³Vm N⁻¹，优于大多数压电晶体、陶瓷和天然生物材料（图3E，F）。甘氨酸/PVP 薄膜在自然环境中也表现出优异的生物降解性（图3G，H）。

图3. 甘氨酸/PVP薄膜的机械和压电性能、热稳定性和可降解性

图4. 甘氨酸/PVP薄膜应用在植入设备超声能量收集中

暂时性植入设备，例如术后临时心脏起搏器，需要经皮导线或植入电池。此类硬件会带来全身性感染的风险、限制患者活动并妨碍临床护理。用于取出或更换这些电池的手术也会导致进一步的组织损伤。因此，人们一直在寻求生物相容性和可生物降解的植入式供电系统来防止这些问题。我们展示了一种基于甘氨酸的压电超声充能器作为电子经皮植入物的外部充电系统，其产生的电压约为 3.6V，电流约为 10μA，功率密度约为 35μWcm⁻¹。其高功率输出归功于甘氨酸薄膜卓越的机电性能。“柔软、灵活”的特性其可以放置在身体的各个目标位置，而“瞬态”特性则无需手术切除。

总结与展望

TEA 打印方法采用快速气溶胶组装、极化和沉积，一步高速制造压电生物有机膜。该策略可推广用于不同的压电生物材料系统，大大扩展了压电生物膜库的新兴应用。虽然通过 TEA 打印方法制造的甘氨酸膜表现出更好的机电性能，但将这些膜集成到生物医学应用中仍存在一些挑战：1）生物材料的潜在压电机制仍不清楚，与无机陶瓷和有机聚合物相比，压电性能仍然较低；2）最大压电常数模式与施加方向的不一致相当具有挑战性；3）较高的杨氏模量和较差的弹性恢复性使得所生物膜与特定生物电子器件不相容；4）鉴于用于电刺激的压电植入物，与组织功能相容的生物材料产生的电的安全范围仍不清楚。

作者介绍

港科大博士后李学木、港城大张卓敏博士、郑毅为论文共同第一作者。港科大杨征保教授为论文通讯作者。港科大博士后彭泽华、晏晓东、洪颖、刘世源、李鹏宇、单尧，港城大博士生杨晓丹、廖珺辰博士，邱美孌教授等合作者为工作做出了重要贡献。

杨征保教授研究团队持续招博士和博士后，感兴趣者可以访问课题组网站并联系。

课题组网站：

https://yanglab.hkust.edu.hk/

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