科大工學院團隊研發熱電氣溶膠印表機　大幅加快壓電生物薄膜生產

香港科技大學（科大）工學院的研究團隊開發了一種熱電氣溶膠（TEA）生物印表機，顯著提高了壓電生物薄膜的生產效率。與現有方法比較，這項創新技術能將製膜速度提升數以百倍。憑著這項突破，生物相容和生物可降解電子設備中的壓電部件將得以實現工業規模生產。特別在醫療領域，此技術展現出極大的應用潛力，例如製作術後臨時心臟起搏器中的超聲能量收集器。

壓電生物材料是能夠在機械應變作用下，產生電能的生物材料。有見於其卓越的電機特性、生物相容性和生物可吸收性，科學界越來越關注它在生物醫學微機電系統、可穿戴和植入式電子設備以及生物組織治療中的應用潛力。

然而，這種材料亦有其難以克服的缺點，就是巨集觀壓電性較弱、機械性能差，以及難以大規模生產，這些因素一直窒礙其應用發展。近期，由科大機械及航空航天工程學系的楊徵保教授領導的團隊，聯同香港城市大學（城大）和洛桑聯邦理工學院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne）的共同研究項目，取得重大突破。團隊利用熱電複合場誘導的氣溶膠形成，成功開發了一台TEA生物印表機，實現了壓電生物薄膜的一步、高通量、卷對卷製造。

楊教授表示：「傳統的生物分子組裝方法通常需要較長的疇對準時間，一般可長達48小時。另一個問題是，現行技術無法同時實現高速和多功能製造，對列印尺寸、結構和功能的控制也顯得不足，往往導致製成品出現不必要的材料結構缺陷。」

楊教授進一步指出，傳統的製造方法過程複雜，而且成本高昂，令大規模生產不可行。為了突破這些限制，研究團隊採用了電場力操控氣溶膠，並藉助靜電斥力實現同質成核，以確保氣溶膠高通量地沉積到基材上。

在本實驗中，研究人員使用一塊配備九個噴嘴的列印面板，構建了一台三維卷對卷TEA印表機。當熱電耦合場達到足夠強度時，微墨水流便會被拉拽、霧化並氣溶膠化，沉積到卷對卷平台上，形成連續的薄膜或微圖案。楊教授解釋：「研究結果顯示，我們的TEA方法透過電動氣溶膠化和原位電極化，能夠實現每日約8,600毫米的列印長度，速度比現有技術快兩個數量級，換句話說，即是數以百倍計的提速。」

談及這項創新的重要性，楊教授表示：「自從科學家在羊毛和頭髮中發現生物壓電性，過去八十年以來，壓電生物材料的研究一直停滯在實驗室裡，與生物設備的發展相距甚遠。我們這項開創性的工作，將為壓電生物薄膜的工業製造開闢新途徑，從而促進微型或柔性生物電子設備、可穿戴或植入式微型設備，以及生物組織治療的發展。」

總括而言，是次研究顯示在半空中列印的壓電生物材料展現出巨大潛力，可用於生物電子設備。研究成果已發表於《科學進展》期刊，並獲《自然電子》評為亮點報導。論文的三位共同第一作者分別為科大博士後研究員李學木博士、城大博士畢業生張卓敏博士，和城大在讀博士生鄭毅。

（原文於2024年12月19日在EurekAlert刊登。）