科大工学院团队研发热电气溶胶印表机　大幅加快压电生物薄膜生产

香港科技大学（科大）工学院的研究团队开发了一种热电气溶胶（TEA）生物印表机，显着提高了压电生物薄膜的生产效率。与现有方法比较，这项创新技术能将制膜速度提升数以百倍。凭着这项突破，生物相容和生物可降解电子设备中的压电部件将得以实现工业规模生产。特别在医疗领域，此技术展现出极大的应用潜力，例如制作术后临时心脏起搏器中的超声能量收集器。

压电生物材料是能够在机械应变作用下，产生电能的生物材料。有见于其卓越的电机特性丶生物相容性和生物可吸收性，科学界越来越关注它在生物医学微机电系统丶可穿戴和植入式电子设备以及生物组织治疗中的应用潜力。

然而，这种材料亦有其难以克服的缺点，就是巨集观压电性较弱丶机械性能差，以及难以大规模生产，这些因素一直窒碍其应用发展。近期，由科大机械及航空航天工程学系的杨徵保教授领导的团队，联同香港城市大学（城大）和洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne）的共同研究项目，取得重大突破。团队利用热电复合场诱导的气溶胶形成，成功开发了一台TEA生物印表机，实现了压电生物薄膜的一步丶高通量丶卷对卷制造。

杨教授表示：「传统的生物分子组装方法通常需要较长的畴对准时间，一般可长达48小时。另一个问题是，现行技术无法同时实现高速和多功能制造，对列印尺寸丶结构和功能的控制也显得不足，往往导致制成品出现不必要的材料结构缺陷。」

杨教授进一步指出，传统的制造方法过程复杂，而且成本高昂，令大规模生产不可行。为了突破这些限制，研究团队采用了电场力操控气溶胶，并藉助静电斥力实现同质成核，以确保气溶胶高通量地沉积到基材上。

在本实验中，研究人员使用一块配备九个喷嘴的列印面板，构建了一台三维卷对卷TEA印表机。当热电耦合场达到足够强度时，微墨水流便会被拉拽丶雾化并气溶胶化，沉积到卷对卷平台上，形成连续的薄膜或微图案。杨教授解释：「研究结果显示，我们的TEA方法透过电动气溶胶化和原位电极化，能够实现每日约8,600毫米的列印长度，速度比现有技术快两个数量级，换句话说，即是数以百倍计的提速。」

谈及这项创新的重要性，杨教授表示：「自从科学家在羊毛和头发中发现生物压电性，过去八十年以来，压电生物材料的研究一直停滞在实验室里，与生物设备的发展相距甚远。我们这项开创性的工作，将为压电生物薄膜的工业制造开辟新途径，从而促进微型或柔性生物电子设备丶可穿戴或植入式微型设备，以及生物组织治疗的发展。」

总括而言，是次研究显示在半空中列印的压电生物材料展现出巨大潜力，可用于生物电子设备。研究成果已发表于《科学进展》期刊，并获《自然电子》评为亮点报导。论文的三位共同第一作者分别为科大博士后研究员李学木博士丶城大博士毕业生张卓敏博士，和城大在读博士生郑毅。

（原文於2024年12月19日在EurekAlert刊登。）