Matter首批论文上线：3D打印“穿针引线”成就电子织物

来源： Cell Press

提到“可穿戴设备”，你首先想到的大概是智能手表、google眼镜等，但你能想象某天，我们身上穿的衣服就是一件“可穿戴设备”吗？据了解，清华大学化学系张莹莹副教授的团队正在将这种类似于科幻的场景变为现实：通过将自行设计的同轴喷丝头集成到3D打印机上，在织物上实现了功能性皮芯结构纤维的直接打印，可灵活制作各种个性化功能图案，还能通过这些智能图案进行能量的收集和存储。该研究成果于3月27日发表于CellPress细胞出版社旗下材料旗舰新期刊Matter上。

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针对该论文的主要亮点等，Cell Press邀请张莹莹副教授接受了专访。

“我们对直写式3D打印机进行了改装，运用同轴喷丝头实现了在织物上直接打印同轴皮芯导电纤维，并展示了所打印图案在能源管理方面的应用。”清华大学化学系副教授张莹莹介绍说， “常见的3D打印机的单轴喷丝头每次只能打印一种墨水，这极大地限制了打印组分的多样性，也限制了对所打印图案功能的设计。”

为了进行概念验证，张莹莹副教授团队用如下两种墨水展示了电子织物的3D打印制作：利用碳纳米管溶液（CNT ink）用于制作纤维导电芯层，利用蚕丝蛋白溶液（silk fibroin ink）用于制作纤维介电皮层（当然也可以根据对柔性、生物兼容性、耐水性等方面的需求，灵活选用其他的墨水组合）。蚕丝蛋白和碳纳米管墨水通过注射泵连接在装有同轴喷丝头的3D打印机上，两种打印墨水同时被挤出并直接在织物基底上形成皮芯结构纤维构成的各种个性化定制图案。用这种方式，他们打印了汉字“打印”、英文字母“silk”和一只美丽的和平鸽。

有别于常见的将生产好的电子纤维编织到织物中的方法，该打印方法在制备电子纤维的同时完成了其在织物上的集成，极大地提高了电子织物的生产效率。这种打印技术可通过选择多种墨水组合，将不同的功能单元一次性集成在织物中（类似于彩色打印机中装有不同颜色的墨水），为穿戴电子的集成提供了便捷的可规模化的途径。当然这种方法打印的分辨率将受限于3D打印机的机械移动精度和喷嘴的尺寸。

“未来还可以在3D打印机上加装多轴喷丝头或者具有其他新功能的喷丝头，为3D打印结构带来更加灵活丰富的组分搭配可能和结构设计，实现多功能电子织物的高效制备。”张莹莹副教授说。

关于张莹莹副教授

张莹莹副教授2002年于山东大学化学与化工学院获得学士学位，2007年于北京大学化学与分子工程学院获得博士学位。2007-2008年就职于强生全球创新研究中心（上海），2008-2011年在美国Los Alamos国家实验室从事博士后研究。2011年加入清华大学，现任化学系副教授、博士生导师。研究领域为纳米碳材料的可控制备及其柔性可穿戴期间研究，以及功能蚕丝的设计、制备及其柔性可穿戴器件研究。
专访

使衣物变身“可穿戴设备”可谓脑洞大开的想法，是什么最初促使您的团队开展相关研究？
张莹莹副教授：柔性可穿戴领域是一个新兴的、多学科交叉的领域。我对柔性可穿戴技术的兴趣源于10年前在美国做博士后时，后来开始独立科研工作，我的课题组便致力于柔性可穿戴材料与器件的研究。提到“可穿戴”电子，最理想的载体莫过于衣物，因此，使衣物变身可穿戴设备也就自然而然引发了包括我们在内的同行科研团队的兴趣。

您认为使用3D打印技术“打印”电子纺织品的难点主要有哪些？您的团队是如何攻克的？
张莹莹副教授：在初期阶段，通过设计适用于3D打印的材料实现电子纺织品的直接打印是最关键的一步。在实现所需功能的基础上，还要考虑墨水的组分、可打印性、安全性、稳定性等基本问题。在本工作中，我们设计了同轴喷丝头并将其集成到3D打印机上，实现了在织物上进行功能性皮芯结构纤维和智能电子器件的直接打印。通过设计化学组分、调控流变性能，我们制备了丝素蛋白和碳纳米管两种可用于3D打印的墨水，并实现了丝素蛋白-碳纳米管皮芯结构纤维在织物上的直接打印成型。


您认为此次研究取得的最具突破性的成果是？
张莹莹副教授：在本工作中，我们首次实现了皮芯结构纤维在织物上的直接打印，并通过制作蚕丝能源管理织物进行了展示。


人们对于衣物的要求包括舒适、美观及功能性等，您觉得采用3D打印技术制作出的电子纺织品可以同时满足人们的这些需求吗？
张莹莹副教授：是的。本工作中所制作的蚕丝智能织物可以满足上述需求。

您认为该项技术的商业化前景如何？经济性如何？
张莹莹副教授：考虑到较低的材料和设备成本，该技术具有良好的商业化前景，特别是在个性化可穿戴电子的制备中会有突出优势。



能否透露下您团队的下一步研究计划。
张莹莹副教授：我们将继续致力于新型柔性可穿戴材料、器件和制备技术的研究，特别是与蚕丝和纳米碳材料相关的研究。近期计划开发更加丰富多样的可穿戴传感功能，并发展便捷的可穿戴电子集成技术。

来源： Cell Press