Science子刊：水凝膠-聚合物雜化材料的投影式光固化多材料打印

來源：EngineeringForLife

水凝膠-聚合物雜化材料已廣泛應用于生物醫(yī)學設備和柔性電子器件等領域。然而，目前能與水凝膠牢固結合的聚合物大多數(shù)為硅橡膠，且水凝膠-聚合物雜化材料的幾何形狀制造大多局限于簡單的層疊結構，因此，迫切需要一種設計自由度高、材料選擇豐富的水凝膠-聚合物雜化結構的有效制造方法。

近期，來自南方科技大學的葛锜團隊、浙江大學的曲紹興團隊、西北工業(yè)大學的張彪團隊聯(lián)合在“Science Advances”上發(fā)表了一篇名為“3D printing of highly stretchable hydrogel with diverse UV curable polymers”的文章，在該研究中相關人員研發(fā)了一種簡單而通用的基于投影式光固化的多材料3D打印方法來制造復雜的雜化材料3D結構，并利用該方法進行了相關應用的制造。該方法實現(xiàn)了水凝膠與其它聚合物的三維粘結，為多功能柔性電子器件和相關設備的制造開拓了一條新途徑。

首先，研究人員在自制的投影式光固化多材料3D打印機上打印水凝膠-聚合物多相結構（圖1）。該設備采用光源下置式的投影方式，并在打印成形平臺和UV投影儀之間安裝有一個聚四氟乙烯涂層玻璃板充當打印機料槽的作用，其可提供兩到三個料槽位以供選擇，通過水平移動的方式進行打印材料的轉換，并采用空氣噴射的方法去除打印件上的殘留打印材料。

圖1 光固化投影3D打印多材料水凝膠與其他聚合物

隨后，研究人員進一步研究了打印過程中PEGDA（AP）水凝膠與其他（甲基）丙烯酸酯基UV固化聚合物的結合機理，并展示了多材料3D打印工藝以及水凝膠和（甲基）丙烯酸酯聚合物之間的界面結合機制。

圖2 打印材料與粘合機理

其次，為了驗證和解釋水凝膠與(甲基)丙烯酸酯聚合物界面結合的機理，研究人員用傅立葉變換紅外光譜研究了水凝膠聚合的轉化率，并對其粘接性能進行了比較。

圖3 聚合轉化率和粘接性能的比較

接下來，研究人員打印了由剛性聚合物增強水凝膠復合材料構成的馬蹄形結構（圖4），并展示了水凝膠和剛性聚合物之間的牢固粘合使得復合材料能夠在不脫粘的情況下發(fā)生巨大變形。

圖4 三維打印剛性聚合物增強水凝膠復合材料

進一步地，研究人員使用SMP材料結合水凝膠進行了心血管支架的4D打印（圖5），并使心血管SMP支架具有藥物釋放功能。

圖5 具有藥物釋放功能的SMP打印支架

最后研究人員打印了一個柔性氣動執(zhí)行器(SPA)，并進一步利用有限元分析模擬SPA的彎曲，從而得到彎曲角度與傳感器放置位置之間的應變關系。

圖6 利用光固化投影打印的帶有水凝膠應變傳感器的柔性氣動執(zhí)行器

總的來說，該文中研究人員研發(fā)了一種簡單而通用的基于投影式光固化的多材料3D打印方法，該方法制造的水凝膠-聚合物雜化材料3D結構由高度可拉伸的水凝膠與各種不同的UV固化聚合物共價結合而成，同時該研究展示了這種多材料3D打印方法的多種應用場景。展望未來，該方法通過將水凝膠與其他UV聚合物以三維粘合的形式結合在一起，為制造具有極大擴展功能和性能的柔性設備及器件提供了一條有效的途徑。