蘭州化物所3D打印強韌濕滑水凝膠材料與功能器件研究取得系列進展

來源： 中科院蘭州化物所

人工合成水凝膠因兼具固體和液體的優(yōu)異性質，在生物醫(yī)學、潤滑涂層、智能傳感、柔性電子、驅動變形等領域受到廣泛關注。然而，實現(xiàn)水凝膠材料在機械性能和功能結構化制造之間取得良好平衡仍然是一項艱巨任務。近期，中國科學院蘭州化物所固體潤滑國家重點實驗室3D打印摩擦器件研究團隊在3D打印高性能濕滑水凝膠材料與功能器件研究方面取得了系列進展。

該團隊在前期直書寫3D打印高強韌水凝膠基礎上（Biomaterials Science,2019, 7, 1805-1814；Chemistry of Materials,2020,32,9983-9995），近期采用仿生氫鍵工程策略，引入應變誘導微相分離機制實現(xiàn)了高精度光固化3D打印超強韌水凝膠（Advanced Functional Materials,2022,2210395）（圖1）。相關材料與技術已獲2件中國發(fā)明專利授權（ZL 201810541767.3；ZL 202111591052.7）。



圖1. 仿生氫鍵工程策略構筑的光固化3D打印超強韌水凝膠

研究人員利用自主搭建的灰度光固化3D打印裝置（ACS Applied Materials & Interfaces,2019,11,42586-42593），通過在單一水凝膠材料體系中于分子尺度上的交聯(lián)調控，實現(xiàn)了因溶脹誘導的局部應力差導致的可控變形（Advanced Materials Technologies,2021,7,2101288）（圖2）。相關技術已獲中國發(fā)明專利授權（ZL 201910509477.5）。



圖2. 灰度3D打印可控變形水凝膠仿生結構

利用水凝膠優(yōu)異的水潤滑性能和3D打印技術的個性化制造優(yōu)勢，該團隊近期發(fā)展了水凝膠動脈三尖瓣膜、用于狹窄病變組織器官的水凝膠支架（Chemistry of Materials,2022,34,6129-6141）、濕滑水凝膠仿生軟組織器官模型（Advanced Functional Materials, 2022,32,2108845）和潤滑載藥功能一體化水凝膠隱形眼鏡（Small,2023,2206819）等多種功能性的水凝膠器件，為濕滑水凝膠在仿真器官模型、生物醫(yī)療器械等應用提供了材料技術（圖3）。相關材料與技術已獲2件中國發(fā)明專利授權（ZL 202110635655.6；ZL 202110635657.5）。



圖3. 3D打印濕滑水凝膠生物醫(yī)療器械和功能器件

另外，該團隊采用高精度3D打印構筑的水凝膠仿章魚吸盤結構在水下粘附方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能（Chemical Engineering Journal，2023，141268）（圖4），結合3D打印導電離子水凝膠良好的應力傳感性（Journal of Materials Chemistry C,2022,10,14288-14295），為3D打印水凝膠在仿生驅動、健康監(jiān)測和柔性機器人等領域的應用提供了一定的材料技術基礎。相關材料與技術已獲2件中國發(fā)明專利授權（ZL 202110635657.5；ZL 202110635655.6）。



圖4. 3D打印的水凝膠仿生粘附吸盤及智能抓取器

上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科學院“西部之光”交叉創(chuàng)新團隊項目、甘肅省科技計劃項目等的支持。