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.

Внешний вид выдавленного полимера в зависимости от концентрации раствора
Внешний вид выдавленного полимера в зависимости от концентрации раствора

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.

Изготовление гибкой микросхемы из проводящего полимера
Изготовление гибкой микросхемы из проводящего полимера
Воспроизведенный мультиэлектродный массив
Воспроизведенный мультиэлектродный массив
Сетки проводящего полимера из нитей разного диаметра
Сетки проводящего полимера из нитей разного диаметра

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.