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导语
柔性电子、智能穿戴、人体健康监测、自适应、自供能设备…… 这些前沿概念早已走进科研实验室，但长期受制于多层器件制备流程繁琐、定制化成本高、材料力学与电学性能难以兼顾等痛点。江西科技师范大学卢宝阳、徐景坤教授团队深耕直写式（DIW）多材料 3D 打印导电 / 离子水凝胶体系，围绕电致变色、热电发电、生物电极、植物传感四大方向，连续产出多篇高水平成果，一套通用打印工艺打通显示、能源、生物感知、农业监测多赛道，为一体化柔性器件量产提供极简新思路。
痛点突围：传统柔性器件制造的三大难题
1工艺复杂、多层组装繁琐：传统柔性器件多为五层以上结构，依赖光刻、掩膜、溅射、分步镀膜，需洁净车间多道工序，层间易分层，无法快速个性化制备图案化器件。
2材料性能难以平衡：导电 PEDOT:PSS 脆性大、拉伸差；普通 PVA 水凝胶导电性弱；紫精电致变色墨水难以适配 3D 挤出成型，力学与功能无法兼得。
3功能单一，难以集成：显示、发电、生理信号采集设备需分开制备，无法实现一体化多功能柔性系统。
团队采用DB100 直写 3D 打印机，开发多款剪切变稀水凝胶复合墨水，仅通过「分层打印 + 低温冻融交联」一步成型，无需后组装，解决上述瓶颈。
四大方向科研成果全梳理
方向 1｜3D 打印水凝胶柔性电致变色器件（Adv. Sci., 2024）
核心创新
设计SV/STV/ETV 三类紫精 - PVA/LiCl 电致变色墨水，搭配电解质 PVA/LiCl 墨水、PDMS 封装墨水，完整四层结构（基底 ITO-PET + 电致变色层 + 离子电解质 + PDMS 封装）全部 3D 逐层打印，实现无接缝一体化成型。
核心性能
光学对比度最高 54.4%（360 nm），万秒循环电活性衰减＜5%；
5000 次弯折后对比度仅下降 19%，拉伸、弯曲稳定性拉满；
三色体系：无色→紫 / 红棕 / 棕多级可逆变色，电压仅 ±0.6 V 即可驱动。
落地场景
穿戴可视化皮肤贴片：腕带 SOS 点阵、心率心形阵列，实时直观展示生理信号；
自适应薄膜：STV 基器件可切换黄 / 橙 / 红三色，适配农田、山林、荒漠环境；
智能调光车窗：施加电压快速透光 / 遮光，具备光学记忆效应，断电 140 s 仍保持着色，大幅降低能耗。
方向 2｜全 3D 打印可拉伸热电发电器件（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2025）
核心创新
将 PEDOT:PSS 与 TPU 共混制备高拉伸热电墨水，搭配银导电线路、PDMS 基底 / 封装墨水，全组件一体打印，打造人体体温自发电柔性设备。
核心性能
40 K 温差下开路电压 3.18 mV，功率密度 6.78 nW・cm⁻²；
50% 大应变下稳定输出，2000 次拉伸后发电性能保留 90% 以上；
反复弯折 2000 次电阻波动＜7%，运动状态下稳定工作。
应用价值
贴于手臂、膝盖，采集人体体温差持续点亮 LED，可直接为血氧、心率传感器无源供电，构建无电池自驱动可穿戴系统。
方向 3｜高导电 / 高粘附 3D 打印 PEDOT:PSS 水凝胶生物电极（Chem. Mater. / Small）
团队两条技术路线同步突破生物电子界面难题
路线 A：PSS 链工程高导电 PSN 水凝胶（Chem. Mater., 2023）
在 PSS 主链引入热交联 NHMAA 共聚单元，解决导电与拉伸的权衡矛盾：
电导率高达 1850 S・m⁻¹，拉伸＞50%，韧性 400 kJ・m⁻³；
电化学超稳定，10 万次脉冲循环电荷衰减＜2.7%；
3D 打印柔性肌电（EMG）电极，信噪比 11.4 dB，优于商用医用贴片。
路线 B：两性离子粘附型导电生物胶（Small, 2024）
引入磺基甜菜碱（PSBMA）粘附高分子，开发强粘附 3D 打印墨水：
拉伸率 349%，与皮肤、脏器、金属均稳定贴合；
界面阻抗低至 20 Ω，采集 ECG、EMG 信号信噪比达商用电极 1.5 倍；
生物相容性优异，细胞无明显毒性，适合长期体表监测。
方向 4｜全 3D 打印高灵敏水凝胶应变传感器（Soft Sci., 2025）
核心创新
PEDOT:PSS-PVA 导电传感墨水 + PVA 柔性基底 + PDMS 双层封装一体化打印，可定制方格、菱形、波浪等多种导电微结构，方格结构灵敏度。
核心性能
最大应变系数 GF=12.78，0–300% 宽应变区间线性度 0.98；
响应仅 280 ms，3000 次循环信号无漂移，抗扭转、挤压干扰；
特色应用：植物生长无损监测
轻薄传感器贴合竹秆，连续 14 天实时追踪径向、纵向生长形变，无组织损伤，为智慧农业作物长势精细化监测提供全新轻量化传感方案。
技术平台：DIW 多材料 3D 打印核心优势
1. 墨水通用性
全部器件依托同一套打印设备，仅更换墨水即可切换显示 / 发电 / 生物传感 / 传感四大功能；所有墨水均具备典型剪切稀化，挤出后快速定型，打印图案保真度高。
2. 一体化极简制程
摒弃传统涂布、光刻、手工贴合，多层同步连续打印，打印后仅需 - 20 ℃/25 ℃冻融交联即可成型，量产门槛大幅降低。
3. 高度定制化
软件绘制 SVG 图形直接导入打印机，任意尺寸、点阵、异形图案快速成型，适配个性化穿戴、微型生物电极等小众场景。
4. 优异界面相容性
不同功能墨水打印参数匹配度高，层间无扩散、无分层，反复形变下多层结构紧密贴合，保障长期稳定使用。
总结与展望
卢宝阳、徐景坤教授团队以PVA 基离子水凝胶、PEDOT:PSS 导电复合水凝胶、紫精电致变色水凝胶三大墨水体系为核心，依托多材料直写 3D 打印统一制造平台，打通「光电显示、体温发电、人体生物监测、智慧农业感知」四大应用赛道，真正实现一套制造工艺，多类柔性电子器件。
未来团队将进一步推进多功能集成一体化器件（如自供电变色穿戴贴片）、植入式生物电极、大面积柔性智能窗等方向落地，为低成本、可定制、高稳定下一代柔性可穿戴电子提供完整材料 + 制造解决方案。
参考文献（团队代表性成果）
Luo X, et al. 3D-Printed Hydrogel-Based Flexible Electrochromic Device for Wearable Displays. Advanced Science, 2024
Fan W, et al. All-3D-Printed PEDOT-PSS-Based Stretchable Thermoelectric Devices for Power Generation. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025
Yu J, et al. Design of Highly Conductive Intrinsically Stretchable and 3D Printable PEDOT:PSS Hydrogels via PSS-Chain Engineering. Chemistry of Materials, 2023
Yu J, et al. 3D Printing of Robust High-Performance Conducting Polymer Hydrogel-Based Electrical Bioadhesive Interface. Small, 2024
Wang L, et al. All 3D-printed high-sensitivity adaptive hydrogel strain sensor for accurate plant growth monitoring. Soft Science, 2025
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