CN111574885B - 一种面向印刷电子技术的生物可降解电子材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向印刷电子技术的生物可降解电子材料，属于工程材料、印刷电子材料、生物可降解电子器件以及柔性电子器件制备技术领域。该材料涉及到将传统的生物可降解纳米材料（包含导体、半导体、绝缘体等），如纳米颗粒、纳米线、纳米片等，分散在生物可降解有机聚合物材料中，形成可应用于印刷电子技术的功能性打印墨水，特别适用于低成本、大规模生物可降解电子器件机系统的制备。
Description
技术领域
本发明公开了一种面向印刷电子技术的生物可降解电子材料，属于工程材料、印刷电子材料、生物可降解电子器件以及柔性电子制备技术领域。
背景技术
近年来，生物可降解电子器件及系统由于其无污染、可降解等特点而受到人们的广泛关注。与传统硅基微电子所要求的长时、稳定所不同的是，生物可降解电子学能够在其完成指定功能后自行降解。在生物医学器件方面，尤其是可植入电子器件上，生物可降解电子器件具有得天独厚的优势。在植入生命体并完成其检测、治疗等功能后，电子器件可自行降解而无需进行二次手术将其取出，极大得减轻了病患的痛苦、手术风险以及医疗成本等。在环境保护方面，生物可降解电子器件也无需额外的组织或者人员对其进行单独的降解处理，有利于生态环境的保护。
目前，实现生物可降解电子器件及系统的制备技术主要基于传统硅基微电子制备工艺，涉及到材料图形化、干法/湿法刻蚀、材料蒸镀等工艺步骤，最终将制备的器件或电路转移到可降解衬底。此类方法虽然已经拥有比较高的成熟度，但是仍有设备的高成本、工艺步骤复杂冗繁等问题。因此，如何低成本、高效率地制备出生物可降解电子器件是其进一步发展的关键。印刷电子技术是当下制备功能电子器件及线路的较为可行的方案，主要利用快速、高效率、低成本的印刷/打印技术，从而在基板上直接形成导电回路或者图形。从理论上讲，利用印刷电子技术可以实现任何现有的功能性电子线路或者系统。鉴于此，如何利用成熟的印刷电子技术制备出生物可降解电子器件及系统变得尤为必要。
发明内容
根据以上技术背景，本发明的目的是提供一种面向印刷电子技术的生物可降解电子材料，通过将传统的生物可降解纳米材料（包含导体、半导体、绝缘体等），如纳米颗粒、纳米线、纳米片等，分散在生物可降解有机聚合物材料中，形成可应用于印刷电子技术的功能性打印墨水，特别适用于低成本、大规模生物可降解电子器件机系统的制备。
为实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供一种面向印刷电子技术的生物可降解电子材料包括，生物可降解电子材料，所述的电子材料包括半导体、导体、绝缘体等；
2）提供有机溶剂，所述的有机溶剂应为生物可降解材料；
3）将所述的生物可降解电子材料分散在生物可降解有机溶剂中，形成均匀稳定的打印墨水；
4）利用印刷电子技术，结合上述打印墨水，制备出生物可降解电子元件或系统。
可选地，所述生物可降解导体材料包括Zn、Mg、Fe、W、Mo，但并不限于以上几种。
可选地，所述生物可降解半导体材料包括Si、Ge、SiGe、ZnO，但并不限于以上几种。
可选地，所述生物可降解绝缘体材料包括SiO2、Si3N4、MgO，但并不限于以上几种。
可选地，所述生物可降解电子材料具有纳米颗粒、纳米线或者纳米片等结构形式。
可选地，所述生物可降解有机溶剂材料包括蚕丝蛋白溶液、乳酸-羟基醋酸共聚物（PLGA）溶液、聚乳酸（PLA），但并不限于以上几种。
可选地，所述分散方法采用高功率超声或磁力搅拌系统。
可选地，所述打印墨水的粘滞系数可以通过调节有机溶剂于电子材料之间的比例进行控制，以此分别适用于喷墨打印技术、丝网印刷技术、凹版印刷技术等。
可选地，所述生物课讲解电子器件或系统包括晶体管、忆阻器、二极管、电阻、电感、电容等单一元件，或者由上述元件所组成的集成系统，但并不限于以上几种。
如上所述，本发明中提供了一种基于印刷电子技术的生物可降解电子材料。本发明具有以下优点及突出性的技术效果：择用生物可降解电子材料，将其均匀稳定地分散在有机溶剂中形成打印墨水，并结合印刷电子技术制备出生物可降解电子器件及系统。本发明避免了以往制备生物可降解电子器件时所采用的光刻、干法/湿法刻蚀、材料蒸镀等复杂工艺步骤，而是采用逐一打印、逐层打印的方式，极大地降低了生物可降解电子器件的制备成本、简化了工艺步骤、提升了制备效率。
附图说明
图1显示为本发明的印刷电子技术制备生物可降解电子器件的制备步骤示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施案例仅提供一种具体的生物可降解热疗器件的制备步骤以说明本发明的基本构想，步骤中仅展示与本案例有关的有关内容。在实际实施本发明时，可根据需求任意改变所需打印墨水材料以及器件结构布局、尺寸等，且其组件布局形态也可能更为复杂。
一种面向印刷电子技术的生物可降解电子材料及器件的制备方法，至少包括以下步骤：1）提供生物可降解电子材料，所述生物可降解电子材料主要包括导体、半导体、绝缘体；所属生物可降解电子材料的结构主要包括纳米颗粒、纳米线、纳米片；2）将所述生物可降解电子材料分散在有机溶剂中，形成面向印刷电子技术的功能性打印墨水，所述有机溶剂须具有生物可降解特点；3）利用所述打印墨水，结合印刷电子技术制备出生物可降解电子器件。
可选的，所述可降解导体包括Zn、Mg、Fe、W、Mo。
可选的，所述可降解半导体包括Si、Ge、SiGe、ZnO-。
可选的，所述可降解绝缘体包括SiO2、Si3N4、MgO。
可选的，所述纳米颗粒粒径范围10-500 nm。
可选的，所述纳米线长度范围10-1000 nm；所述纳米线直径范围10-1000 nm。
可选的，所述纳米片尺寸范围10-10000 nm；所述纳米片厚度范围10-100 nm。
以上所述材料分散在有机溶剂中。
可选的，所述的有机溶剂为生物可降解材料。
可选的，所述分散方法在高功率超声系统或磁力搅拌系统中充分进行。
可选的，所述的生物可降解有机溶剂包括蚕丝蛋白溶液、乳酸-羟基醋酸共聚物（PLGA）溶液、聚乳酸（PLA）。
本发明所述方法的工艺流程图，该方法包括以下步骤：
1）选择硅纳米颗粒作为生物可降解半导体原材料，可通过球磨硅片的方式获得，纳米颗粒的尺寸控制在100 nm左右；
2）选择锌纳米颗粒作为生物可降解导体原材料，可通过球磨硅片的方式获得，纳米颗粒的尺寸控制在100 nm左右；
3）将上述硅纳米颗粒和锌纳米颗粒以1：4的质量比分别分散在乙醇和甲醇溶液中，并利用高功率超声对混合溶液处理十分钟；
4）选择羧甲基纤维素钠作为生物可降解衬底，可以通过滴定固化的方式获得；
5）利用丝网印刷技术首先在上述生物可降解衬底上印刷一薄层硅作为电阻元件，其尺寸和厚度可根据需求任意控制；
6）利用丝网印刷金属在步骤5中所得到的硅阻元件两端印刷一薄层锌座位导电电极或互连线；
7）通过两部印刷的方式，由硅阻元件的加热模块、锌薄层的导线部分所组成的生物可降解热疗器件被集成在生物可降解柔性衬底上；
8）通过加热处理，对步骤5-6所得到的加热元件以及电子导线的电导性能进行提升，至此，生物可降解热疗器件制备完成。
需要指出的是，本实施例中为了方便起见，所述生物可降解电子材料及器件以基于硅、锌纳米颗粒的打印墨水以及生物可降解热疗器件为例进行说明本发明的材料与器件制备方法，但对于面向印刷电子技术的其他生物可降解电子材料及器件，同样在本发明的保护范围内。
综上所述，本发明的面向印刷电子技术的生物可降解电子材料及器件的制备方法，首先将生物可降解功能性纳米材料以一种均匀、稳定地方式分散在生物可降解有机溶剂中，形成功能性打印墨水，包括导体、半导体、绝缘体；然后利用印刷电子技术，包括喷墨打印、丝网印刷、凹版印刷等，采用逐一打印、逐层打印的方式，制备出生物可降解电子元器件，或由电子元器件所组成的电子线路。本发明利用打印电子技术的简易、高效、低成本等优势，结合基于生物可降解电子材料的打印墨水，大大的降低了生物可降解电子元器件或电子线路制备时的复杂度，降低了工艺成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (2)
1.一种生物可降解热疗器件，其特征在于，该器件由生物可降解电子材料制成的功能性打印墨水，再利用印刷电子技术制成，经以下步骤制得器件：
1）选择硅纳米颗粒作为生物可降解半导体原材料；
2）选择锌纳米颗粒作为生物可降解导体原材料；
3）将所选硅纳米颗粒和锌纳米颗粒分别以1：4的质量比分散在乙醇溶液和甲醇溶液中，并利用高功率超声对混合溶液进行处理；
4）选择羧甲基纤维素钠作为生物可降解衬底，通过滴定固化的方式获得；
5）将分散有硅纳米颗粒的乙醇溶液利用丝网印刷技术首先在步骤4）的生物可降解衬底上印刷一薄层硅作为电阻元件；
6）将分散有锌纳米颗粒的甲醇溶液利用丝网印刷技术在步骤5）中所得到的电阻元件两端印刷一薄层锌作为导电电极或互连线；
7）通过两步印刷的方式，使由步骤5）所形成的电阻元件和步骤6）形成的导电电极或互连线组成的生物可降解热疗器件被集成在生物可降解衬底上；
8）通过加热处理，对步骤5-6所得到的电阻元件以及导线电极或互连线的电导性能进行提升，生物可降解热疗器件制备完成。
2.根据权利要求1所述的生物可降解热疗器件，其特征在于：所述纳米颗粒的粒径范围为10-500nm。
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