近日，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院顧忠澤教授與南京大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院謝勁教授、韓杰副研究員團(tuán)隊(duì)合作，在亞微米精度導(dǎo)電聚合物三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以《導(dǎo)電聚合物的光聚合與3D打印》（Photoinduced double hydrogen atom transfer for polymerization and 3D printing of conductive polymer）為題在國際頂級期刊Nature Synthesis上在線發(fā)表。

近年來，科技的迅猛發(fā)展推動(dòng)了生物電子設(shè)備在微型化、集成化和三維化方面的顯著進(jìn)步，為生物醫(yī)學(xué)工程和先進(jìn)材料科學(xué)帶來了廣闊的應(yīng)用前景。導(dǎo)電聚合物憑借其獨(dú)特的離子與電子導(dǎo)電性，在柔性電子、生物傳感、可植入醫(yī)療器械等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在器官芯片（Organ-on-a-Chip）技術(shù)中展現(xiàn)出巨大的潛力。器官芯片通過微流控和微型化設(shè)計(jì)，模擬了人體器官的物理和生理特性，為藥物篩選和疾病研究提供了高度仿真的體外實(shí)驗(yàn)平臺。為了在器官芯片中精確模擬和監(jiān)測生理電信號傳導(dǎo)，亟需構(gòu)建高精度的三維導(dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)。然而，傳統(tǒng)的二維制造技術(shù)在精度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的構(gòu)建上存在顯著局限，無法滿足這一需求。目前的三維制造方法，如擠出式打印和光基打印，在構(gòu)建導(dǎo)電聚合物網(wǎng)絡(luò)時(shí)均面臨諸多挑戰(zhàn)。擠出式打印受限于噴嘴尺寸和自下而上的材料堆積過程，打印分辨率通常低于10微米，難以實(shí)現(xiàn)高精度的三維導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。盡管光基打印技術(shù)在精度上具備優(yōu)勢，但導(dǎo)電聚合物在可見光和近紅外波段的強(qiáng)光吸收特性，限制了激發(fā)光的穿透和光敏劑的活化，從而妨礙了Z方向上的增材制造能力。因此，開發(fā)新型三維打印方法以克服這些挑戰(zhàn)，對于提升器官芯片在生物電信號傳導(dǎo)和復(fù)雜生理功能模擬中的潛力至關(guān)重要。

為了突破這些技術(shù)瓶頸，顧忠澤教授團(tuán)隊(duì)與謝勁教授、韓杰副研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種基于時(shí)空可控光誘導(dǎo)氫原子轉(zhuǎn)移（HAT）反應(yīng)的導(dǎo)電聚合物光聚合方法。他們開發(fā)了一種高效的HAT催化劑BPED，通過光引發(fā)雙重HAT反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物的快速光聚合。以PEDOT:PSS為例，標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)體系使用3,4-乙烯二氧噻吩為單體，聚苯乙烯磺酸鈉為對陰離子，Irgacure 2959為光引發(fā)劑，對甲苯磺酸（TsOH）為摻雜劑。在空氣中，15分鐘內(nèi)可完成聚合反應(yīng)。由于Irgacure 2959和BPED都具備優(yōu)異的雙光子吸收性能，該反應(yīng)促成了PEDOT:PSS結(jié)構(gòu)的雙光子打印。在固化的水凝膠中，該方法能夠打印三維PEDOT:PSS導(dǎo)電通路。更進(jìn)一步，該技術(shù)可以同時(shí)引發(fā)了水凝膠前體的自由基聚合交聯(lián)和EDOT的聚合反應(yīng)，從而構(gòu)建出亞微米分辨率且可編程的三維導(dǎo)電微納結(jié)構(gòu)。該創(chuàng)新性的光聚合方法有效解決了3D打印中導(dǎo)電聚合物的兼容性和光吸收問題。

東南大學(xué)至善博士后周鑫、南京大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院方尚文博士和東南大學(xué)至善博士后胡楊楠為共同第一作者。韓杰副研究員、謝勁教授和顧忠澤教授為通訊作者。該論文得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44160-024-00582-w