Resistente e conduttivo: idrogel polimerici stampati in 3D per sensori flessibili
Alcuni ricercatori internazionali si sono riuniti di recente per studiare di più su materiali di stampa 3D complessi, rilasciando i loro risultati in ” Idrogel polimerico resistente e conduttivo basato su doppia rete per la stampa 3D fotopolimerizzante “.
Sia le proprietà conduttive che gli idrogel sono oggi popolari per l’uso nella stampa 3D e in questo studio sono combinati per una maggiore innovazione nei sensori flessibili. Realizzati con materiali polimerici, gli idrogel – come suggerirebbe il loro nome – sono in grado di trattenere l’acqua e vengono spesso utilizzati in progetti di ricerca incentrati sulla bioprinting , il reticolazione , l’ingegneria dei tessuti molli e altro ancora. Sebbene ritenuti idonei per una vasta gamma di applicazioni, fino a poco tempo fa i loro usi sono stati spesso limitati a causa di proprietà meccaniche inferiori.
Gli idrogel conduttivi, tuttavia, sono attraenti per l’uso in ricerca e sviluppo a causa di quanto segue:
Forte adesione
Elevata porosità
Buon gonfiore
biocompatibilità
Tutte le funzioni sopra menzionate rendono le CH eccellenti scelte per l’uso nei sensori di movimento umani e persino medicazioni per ferite, rafforzando la pelle infetta per la rigenerazione.
“Attualmente, i CH stampabili sono per lo più conduttivi ionici con uno ione libero”, hanno affermato i ricercatori. “Grazie al semplice processo di preparazione e alla grande deformazione, è molto adatto per la stampa 3D.”
Le sfide sorgono nell’uso di idrogel conduttivi, tuttavia, poiché le catene flessibili si deformano ma una singola struttura di rete viene facilmente scomposta, causando una bassa resistenza meccanica; tuttavia, combinazioni come polimero conduttivo (polipirrolo (PPy), politiofene (PTh), polianilina (PANI) e idrogel possono unirsi per creare strutture di reti polimeriche interpenetranti (IPN) o doppie reti (DN).
Servendo da catena per gestire lo stress all’interno della struttura, gli idrogel polimerici conduttivi (CPH) vengono polimerizzati, immersi e quindi integrati nella rete, formando l’IPN. Gli autori riportano, tuttavia, che i tempi di stampaggio sono troppo lunghi, da uno a due giorni, e quindi “lungi dal soddisfare i requisiti della stampa 3D …”
Schemi della struttura e processo di preparazione degli IPC; (a) L’idrogel con EDOT era formato dalla stampa DLP; (b) idrogel PHEA-PSS / PEDOT formato nella soluzione di ossidante.
La conduttività elettrica degli idrogel del campione è stata valutata con un contenuto di EDOT del 12% in peso.
“La conduttività elettrica del gel secco è stata attribuita al polimero coniugato con π- elettroni di PEDOT. Per escludere l’influenza degli ioni, la valutazione di PEDOT era basata sulla conducibilità del campione secco “, hanno affermato gli autori.
“Rispetto a un solo ossidante APS, Fe 3+ come accettore di elettroni ha prelevato elettroni dal polimero coniugato con π- elettroni di PEDOT per formare un trasportatore nelle catene [ 41 ]. Quando il contenuto di FeCl 3 era basso, pochi supporti causavano una scarsa conducibilità elettrica. Quando FeCl 3 era eccessivo, troppi punti ossidanti hanno portato a una riduzione del peso molecolare di PEDOT, che ha indebolito il contatto delle fasi elettricamente conduttive. Allo stesso tempo, la perossidazione ha anche distrutto la struttura coniugata di PEDOT [ 42 ], causando il declino della conducibilità elettrica. Quando il rapporto tra EDOT, APS e FeCl 3 era 1: 1: 1, la conduttività elettrica del gel secco è la più grande (0,5 S cm−1 ). “
L’idrogel mostrava gonfiore all’aumentare dell’EDOT; tuttavia, è stato raggiunto uno stato costante mentre diminuiva. Nel testare l’applicazione del sensore, i ricercatori hanno creato un “dito” campione, attaccando gli idrogel e notando che quando il dito si piegava, gli idrogel erano in grado di trasformare segnali meccanici veloci in segnali elettrici. Sono state rilevate pressioni variabili e le dita sono state in grado di deformarsi e rimanere senza rompersi.
“È stato dimostrato che gli idrogel potrebbero essere utilizzati come sensori di pressione per monitorare l’attività umana”, hanno concluso i ricercatori. “Questo studio ha fornito una nuova idea per la stampa 3D idrogel conduttivo, che potrebbe essere utilizzata in dispositivi elettrici estensibili e applicazioni di robotica leggera.”
a) Conduttività elettrica dell’idrogel allo stato gonfio e secco con diversi rapporti ossidanti rispettivamente con contenuto di EDOT del 12% in peso. (b) Conducibilità a diverse concentrazioni di EDOT con un rapporto fisso di FeCl3: APS = 1: 1. (c) Fotografia della stampa dell’idrogel che illumina il LED. (d) Gonfiore delle prestazioni dell’idrogel che mostra un calo con l’aggiunta di EDOT. 
