近日，东南大学生物科学与医学工程学院顾忠泽教授与南京大学化学与化工学院谢劲教授、韩杰副研究员团队合作，在亚微米精度导电聚合物三维复杂结构的3D打印方面取得重要进展。相关成果以《导电聚合物的光聚合与3D打印》（Photoinduced double hydrogen atom transfer for polymerization and 3D printing of conductive polymer）为题在国际顶级期刊Nature Synthesis上在线发表。
近年来，科技的迅猛发展推动了生物电子设备在微型化、集成化和三维化方面的显著进步，为生物医学工程和先进材料科学带来了广阔的应用前景。导电聚合物凭借其独特的离子与电子导电性，在柔性电子、生物传感、可植入医疗器械等多个领域得到了广泛应用，尤其在器官芯片（Organ-on-a-Chip）技术中展现出巨大的潜力。器官芯片通过微流控和微型化设计，模拟了人体器官的物理和生理特性，为药物筛选和疾病研究提供了高度仿真的体外实验平台。为了在器官芯片中精确模拟和监测生理电信号传导，亟需构建高精度的三维导电聚合物网络。然而，传统的二维制造技术在精度和复杂结构的构建上存在显著局限，无法满足这一需求。目前的三维制造方法，如挤出式打印和光基打印，在构建导电聚合物网络时均面临诸多挑战。挤出式打印受限于喷嘴尺寸和自下而上的材料堆积过程，打印分辨率通常低于10微米，难以实现高精度的三维导电结构。尽管光基打印技术在精度上具备优势，但导电聚合物在可见光和近红外波段的强光吸收特性，限制了激发光的穿透和光敏剂的活化，从而妨碍了Z方向上的增材制造能力。因此，开发新型三维打印方法以克服这些挑战，对于提升器官芯片在生物电信号传导和复杂生理功能模拟中的潜力至关重要。
为了突破这些技术瓶颈，顾忠泽教授团队与谢劲教授、韩杰副研究员团队提出了一种基于时空可控光诱导氢原子转移（HAT）反应的导电聚合物光聚合方法。他们开发了一种高效的HAT催化剂BPED，通过光引发双重HAT反应，实现了导电聚合物的快速光聚合。以PEDOT:PSS为例，标准反应体系使用3,4-乙烯二氧噻吩为单体，聚苯乙烯磺酸钠为对阴离子，Irgacure 2959为光引发剂，对甲苯磺酸（TsOH）为掺杂剂。在空气中，15分钟内可完成聚合反应。由于Irgacure 2959和BPED都具备优异的双光子吸收性能，该反应促成了PEDOT:PSS结构的双光子打印。在固化的水凝胶中，该方法能够打印三维PEDOT:PSS导电通路。更进一步，该技术可以同时引发了水凝胶前体的自由基聚合交联和EDOT的聚合反应，从而构建出亚微米分辨率且可编程的三维导电微纳结构。该创新性的光聚合方法有效解决了3D打印中导电聚合物的兼容性和光吸收问题。
东南大学至善博士后周鑫、南京大学化学与化工学院方尚文博士和东南大学至善博士后胡杨楠为共同第一作者。韩杰副研究员、谢劲教授和顾忠泽教授为通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等项目的资助。
论文链接https://www.nature.com/articles/s44160-024-00582-w
来源：生物科学与医学工程学院