多材料3D打印結構粘接問題解決

供稿人:張曼玉 田小永

親疏水復合結構在自然界中廣泛存在，如植物表層、細胞膜、神經軸突等。例如細胞質和細胞外基質是親水性和導電性，而髓鞘是疏水性和絕緣的，親水性和疏水性物質的結合能夠使有髓軸突作為電信號的傳輸線。近年來，這種生物結構激發(fā)了合成親水/疏水結構的發(fā)展，其中基于水凝膠/彈性體的人造親疏水軟結構取得了明顯進展，然而其構造仍較為簡單，無法媲美天然結構。作為快速成型技術，3D打印可用于復雜軟結構的制備，不過面臨著一大挑戰(zhàn)：多材料打印結構的界面粘接性能極差。這是由于水凝膠中含有大量的水，水分子使得水凝膠傳遞很小的力，所以水凝膠與任何材料的粘接力都很小甚至跟相同的水凝膠。

近日，西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室、航天航空學院軟機器實驗室研究人員與美國工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授合作提出一種軟結構3D打印的強韌粘接技術，實現了具有超強界面粘接的水凝膠/彈性體親疏水異質結構的打印。

圖1一種打印水凝膠和彈性體結構的粘接方法a)在打印過程中，兩種墨水按任意順序擠出在重力和毛細作用下保持形狀b)在固化過程中，每個網絡內部形成共價鍵交聯，兩個網絡之間形成共價鍵交聯。

圖2打印結構的機械性能a)具有共價鍵的水凝膠彈性體晶格在壓縮作用下恢復原狀b）沒有共價鍵得水凝膠和彈性體壓縮后失穩(wěn)無法恢復原狀c）具有共價鍵的彈性體和水凝膠蜂窩結構受到彎曲時仍能保持粘接

該課題組將聯接引發(fā)劑溶于彈性體材料中，分別調節(jié)彈性體預聚液和水凝膠預聚液的粘度，將兩者以任意順序打印在一起，然后引發(fā)聚合反應，形成具有強韌粘接的水凝膠/彈性體復合體。該課題組通過測試打印出的結構機械性能來確定結構質量。在交聯引發(fā)劑作用下，水凝膠彈性體晶格結構在壓縮作用下不發(fā)生脫粘，恢復初始形狀。而沒有交聯引發(fā)劑水凝膠彈性體晶格在壓縮作用下發(fā)生粘接，無法恢復初始形狀。該課題組還打印了相互連接的水凝膠和彈性體蜂窩結構在壓縮下，蜂窩結構會彎曲但仍能保持附著。不同于常規(guī)的表面改性，采用本體改性的策略，打印試樣的粘接能可達5000J/m2以上。

該方法適用于多種水凝膠和彈性體，適用于光引發(fā)和熱引發(fā)策略，適用于其他的制備過程，為軟結構的3D打印提供了一種通用的解決方案，在可拉伸器件、軟機器等領域具有良好的應用前景。

參考文獻：
Hang Yang, Chenghai Li,et al. Printing Hydrogels and Elastomers in Arbitrary Sequence with Strong Adhesion[J]. Advanced Functional Materials,2019,3,20191721.

供稿人:張曼玉 田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室