可拉伸電子設備可用于一系列應用，包括生物傳感器和刺激電極。特別是，它們可以用于增強生理信號的記錄，并通過減少設備與人體之間的機械失配來改善生物組織的電刺激。理想情況下，可拉伸電子產品應具有組織狀的物理特性，以及足夠的電氣性能、機械穩定性和可靠性。隨著個性化設備和醫學的興起，為個人量身定制設備的能力將是一個寶貴的補充。
使用導電墨水進行3D打印制造此類設備是一種很有前途的策略。然而，由于彈性導電油墨的流變性能不足，可拉伸電子產品的3D打印僅限于逐層沉積，而非真正的3D制造。
已經探索了三種主要策略來打印可拉伸電子設備。最廣泛采用的是彈性導電油墨的逐層沉積。這種策略已被用于使用各種彈性導電油墨（包括銀-彈性體復合材料、鉑-彈性體復合材料和導電聚合物）以及在各種基材上制造可拉伸電子產品。然而，由于其逐層性質，它本質上僅限于二維結構（“2.5D”）的堆疊。或者，彈性導電油墨的嵌入式印刷可用于直接在矩陣浴中打印3D結構并制造可拉伸的電子設備。這種策略可以創建超越逐層沉積的 3D 結構，但對具有優化流變特性的基質浴的要求增加了打印過程和基板材料選擇的復雜性。最后，全向打印以前曾用于制造3D電子設備而不需要矩陣浴，但它僅限于非彈性導電油墨（例如基于銀顆粒和液態金屬的油墨）導致設備的拉伸性有限。因此，實現可拉伸電子產品的全方向打印仍然具有挑戰性。
于此，韓國科學技術研究院Seungjun Chung、Byeongmoon Lee等人報告了使用基于乳劑的彈性導電油墨全方向打印可拉伸電子產品。
為了實現可拉伸電子產品的全方向打印，研究人員開發了一種具有最佳流變性能的彈性導電油墨。該墨水由乳化彈性體復合材料與不混溶的非揮發性溶劑和導電填料（銀顆粒和多壁碳納米管）組成，具有相分離的微觀結構。
圖|用于彈性導體全向打印的墨水設計
這種墨水具有假塑性和潤滑性能，允許全方向打印，同時提供足夠的穩定性以自我支撐打印的 3D 結構。可以直接打印電極以創建具有高拉伸性（超過 150% 應變）和高分辨率（最小特征尺寸小于 100 μm）的獨立式平面外 3D 幾何形狀。
圖|彈性導體的全向打印
由于油墨中分散相的蒸發，以及多壁碳納米管對銀顆粒的滲透增強，打印材料的電導率可以提高到 6,600 S cm–1。打印彈性導體在循環變形下表現出良好的機電穩定性，在 50% 應變的 3,000 次循環中表現出穩定的電氣性能。為了說明 3D 打印彈性導體的功能，該團隊制造了一種帶有打印彈性互連的可拉伸皮膚電子設備。該設備可以通過微型發光二極管陣列測量和顯示體溫。
圖|直接寫入皮膚電子上的3D結構
總而言之，該研究開發的全方向打印方法可以成為制造用戶定制的皮膚電子設備的強大工具。該方法也可用于其他應用，例如軟機器人。然而，還有進一步發展和改進的潛力。例如，彈性導體的電導率比金屬導體低幾個數量級，所展示的全方向打印 3D 結構僅限于相對簡單的拱形或懸垂細絲。在全方向打印導體后，手動引入彈性體封裝，以提高可拉伸設備的機械和電氣穩健性。未來的研究應側重于提高彈性導體的性能并探索全方向直接墨水書寫技術的全部潛力，其中可能包括創建更多樣化的 3D 幾何形狀和開發多材料打印。
參考文獻：
Lee, B., Cho, H., Moon, S. et al. Omnidirectional printing of elastic conductors for three-dimensional stretchable electronics. Nat Electron (2023).
https://doi.org/10.1038/s41928-023-00949-5
