PSS 离子液体胶体的 3D 打印及其在生物电子器件中的应用

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在生物电子领域，聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）因兼具类组织机械性能与导电性，成为理想材料，但其用于3D打印时面临三大核心挑战：传统油墨需冗长后处理去除细胞毒性添加剂（如二甲基亚砜、离子液体），难以实现高纵横比结构打印，且导电率较低（原始PEDOT:PSS仅~1 S/cm）。这些问题限制了其在可植入设备、柔性电子纹身等即时可用生物电子器件中的应用。   

韩国科学技术院（KAIST）的Seongjun Park教授与Steve Park教授团队合作，开发了一种离子液体辅助离心制备的PEDOT:PSS离子液体胶体油墨（PILC）。该团队通过离心诱导离子交换反应，形成紧密堆积的氢键网络胶体颗粒，无需后处理即可实现生物相容性，同时显著提升油墨的流变性能（储存模量达10⁵ Pa，屈服应力10³ Pa）和导电率（286 S/cm）。实验证明，PILC油墨可打印高分辨率（~50 µm）、高纵横比（4:1）结构及悬空架构，并直接用于体内神经信号记录（如海马区θ波振荡）和体外生理监测（ECG、EMG信号）。相关工作以《3D printable and biocompatible PEDOT:PSS ionic liquid colloids with high conductivity for rapid on-demand fabrication of 3D bioelectronics》为题发表在《Nature Communications》上。

研究内容
1. PILC油墨的制备原理与微观结构   通过离心诱导离子交换反应，结合扫描电子显微镜（SEM）和冷冻透射电子显微镜（cryo-TEM）观察，研究PEDOT:PSS离子液体胶体（PILC）油墨的形成机制。结果表明，离子液体EMIM:TCB通过氢键网络促进PEDOT胶体颗粒紧密堆积（粒径18.8±8.1 nm），形成具有高储存模量（10⁵ Pa）和屈服应力（10³ Pa）的 viscoplastic 结构，相比原始PEDOT:PSS显著提升流变性能。   

图1. PILC油墨的胶体堆积示意图与SEM图像。   

2. PILC油墨的流变性能与打印适性   利用流变仪测试油墨的剪切变稀行为和触变性，结合3D打印实验评估其结构完整性。结果显示，PILC油墨在低剪切速率下表现出高粘度（~1 MPa·s）和抗塌陷能力，可打印高纵横比（4:1）的垂直堆叠结构及2 mm悬空悬垂结构，打印分辨率达50 µm，优于传统PEDOT:PSS油墨。   

图2. PILC油墨的流变曲线与3D打印结构示意图。   

3. PILC电极的导电性与生物相容性  通过四探针法测量导电率，并利用MTT法和LIVE/DEAD染色评估细胞毒性。结果表明，PILC电极导电率达286 S/cm（原始PEDOT:PSS仅1 S/cm），且通过离心去除90%以上的离子液体毒性成分，细胞存活率与对照组无显著差异（p>0.05），证实其无后处理生物相容性。   

图3. PILC电极的导电率对比与细胞毒性测试结果。   

4. 3D打印生物电子器件的应用验证   通过直接墨水书写技术（DIW）制备3D电路、电子纹身和植入式电极，结合体内外实验验证功能性能。结果显示，PILC油墨可打印LED互连电路（导通电压2.6 V）、贴合皮肤的ECG监测电极（阻抗200 kΩ·mm²），以及植入小鼠大脑的3D神经探针，成功记录海马区5 Hz θ波振荡信号。   

图4. 3D打印PILC器件的生理信号监测与神经记录应用。   

5. 离子液体作用机制与材料稳定性   利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和拉曼光谱分析氢键形成过程，结合循环伏安法（CV）测试电荷存储能力。结果表明，EMIM:TCB通过离子交换诱导PEDOT链从苯醌型向醌型转变，提升导电率；同时，PILC电极在PBS溶液中浸泡30天阻抗波动<5%，显示长期稳定性。   

图5. PILC油墨的氢键网络形成机制与电化学稳定性分析。

研究结论
本研究开发了一种可3D打印的高导电性生物相容性PEDOT:PSS离子液体胶体油墨（PILC），通过离心诱导离子交换反应实现了胶体颗粒的紧密堆积，无需后处理即可获得兼具高结构完整性（储存模量10⁵ Pa、屈服应力10³ Pa）和高导电率（286 S/cm）的特性。实验表明，PILC油墨可打印高分辨率（~50 µm）、高纵横比（4:1）的复杂结构，包括悬空互连电路和3D神经探针。其生物相容性通过离心去除毒性离子液体成分得以保障，细胞存活率达92%以上。在应用层面，PILC油墨成功用于制备可穿戴电子纹身（ECG信号信噪比16.8 dB）和植入式器件，实现了小鼠体内坐骨神经低电压刺激（60 mV）和海马区深层神经信号（5 Hz θ波）的精准记录。本研究为快速原型化生物电子器件提供了新策略，有望推动可穿戴医疗和植入式神经接口的发展。

文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-50264-6