香港中文大學&中國科學技術(shù)大學AFM：4D打印微型水凝膠

來源： EngineeringForLife

4D打印技術(shù)是指由3D技術(shù)打印出來的結(jié)構(gòu)能夠在外界激勵下發(fā)生形狀或者結(jié)構(gòu)的改變，直接將材料與結(jié)構(gòu)的變形設(shè)計內(nèi)置到物料當中，簡化了從設(shè)計理念到實物的制造過程，讓物體能自動組裝構(gòu)型,實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計、制造和裝配的一體化融合，在生物醫(yī)學領(lǐng)域如何快速高效的實現(xiàn)4D打印是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近期，香港中文大學張立團隊和中國科學技術(shù)大學吳東團隊在“Advanced Functional Materials”雜志上題為“Botanical‐Inspired 4D Printing of Hydrogel at the Microscale”的文章中，使用飛秒激光制作具有納米級空間分辨率，超低熱效應和出色的幾何設(shè)計性的3D水凝膠樣品；利用pH觸發(fā)響應機制實現(xiàn)水凝膠的膨脹、收縮和扭轉(zhuǎn)，從而形成多個自由度的形狀轉(zhuǎn)換。

研究人員使用了在側(cè)鏈中包含大量羧基的pH響應水凝膠，并研究了該水凝膠的膨脹和收縮特性，通過改變激光加工參數(shù)，可以對相對膨脹率進行定量調(diào)節(jié)（如圖一），相對膨脹率可以反映結(jié)構(gòu)的相對變形能力。

圖一：飛秒激光打印和pH觸發(fā)水凝膠的膨脹和收縮特性

首先，研究人員模仿植物葉子的特性結(jié)構(gòu)，設(shè)計出各種形狀的單層葉片，改變液體環(huán)境的pH值時，這些精心設(shè)計的葉片結(jié)構(gòu)會發(fā)生優(yōu)美的膨脹和收縮（如圖二）。而且，這種變化是可逆的，并且可以通過調(diào)整激光加工參數(shù)來調(diào)節(jié)形狀變形的程度。

圖二：仿生微結(jié)構(gòu)的溶脹和收縮（比例尺：10μm）

接著，研究人員探討不同掃描方向的排列對樣品結(jié)構(gòu)變形的影響。在打印過程中對葉片結(jié)構(gòu)進行不同方向的掃描，樣品在溶脹后會表現(xiàn)出朝不同方向的扭轉(zhuǎn)（如圖三）。為了進一步增強樣品扭轉(zhuǎn)的特性，研究人員提出了變區(qū)多重掃描策略來調(diào)整應變梯度，即在不同的區(qū)域具有不同的掃描方向。這樣，可以較為精確地控制每個區(qū)域的相對膨脹率，并精確地控制扭轉(zhuǎn)角。

圖三：具有不同掃描策略的微葉片結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象（比例尺：20μm）

然后，研究人員探討了葉片寬度比，掃描重復次數(shù)和掃描重復時間對扭轉(zhuǎn)的影響。通過采用變區(qū)多重掃描策略并調(diào)整相應的激光掃描參數(shù)，可以獲得一些模仿自然結(jié)構(gòu)具有不同扭轉(zhuǎn)方向的精美植物葉片（如圖四）。此外，為了提高加工后的微結(jié)構(gòu)的強度，研究人員提出了一種交叉雙向掃描策略，該策略也可用于實現(xiàn)微葉片結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。

圖四：掃描參數(shù)對微結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)的影響（比例尺：10μm）

最后，研究人員制造了一個微籠。在細胞研究、生物醫(yī)學和藥物遞送領(lǐng)域，微粒捕獲非常重要，利用處于膨脹和收縮狀態(tài)的孔的大小差異，可將微籠用于捕獲微粒。此外，在微籠上涂覆磁性層后，可以通過磁場以受控方式驅(qū)動捕獲的微粒進行運輸（如圖五）。由于激光打印技術(shù)具有良好的設(shè)計靈活性，因此可以輕松改變孔徑大小以捕獲特定的顆粒。具有特殊功能性的微籠可以通過按需控制孔徑來選擇性捕獲和釋放微對象，水凝膠微尺度4D打印在生物醫(yī)學設(shè)備、藥物遞送、微操作和單細胞分析等領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。

圖五：受植物啟發(fā)的復雜形狀轉(zhuǎn)換和微籠（比例尺：10μm。）

論文鏈接：
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201907377