瑞士洛桑聯(lián)邦理工AFM｜3D打印高強韌雙網(wǎng)絡顆粒水凝膠

來源：上普生物

近期，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的Esther Amstad團隊在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表了“3D Printing of Strong and Tough Double Network Granular Hydrogels”的文章。

摘要
許多柔軟的天然組織顯示出令人著迷的一組機械性能，而這些性能仍然是人造的同類產(chǎn)品無法比擬的。這些前所未有的機械性能是通過結構之間的復雜相互作用以及局部改變這些天然組織的成分來實現(xiàn)的。在軟合成材料中無法達到這種控制水平。為了解決這個缺點，引入了一種新穎的3D打印方法來制造堅韌的軟質材料，即由分隔試劑制成的雙網(wǎng)狀顆粒水凝膠（DNGH）。這是由一種由微凝膠組成的墨水實現(xiàn)的，該微凝膠在含單體的溶液中會溶脹。墨水經(jīng)過添加劑制造后，這些單體被轉化為滲濾網(wǎng)絡，從而形成DNGH。這些DNGH足夠堅硬，可以重復支撐高達1.3 MPa的拉伸載荷。而且，它們比它們所制成的每個純聚合物網(wǎng)絡都要堅韌一個數(shù)量級。事實證明，這種墨水可以印刷宏觀的，堅固的和堅硬的物體，可以選擇以高保真度使之響應。DNGH的模塊化且堅固耐用的制造方式為設計自適應，堅固和堅韌的水凝膠開辟了新的可能性，這些水凝膠有可能推動軟機器人應用領域的發(fā)展。

墨水的制備
微顆粒凝膠接觸面小，形成的結構強度低。因此為了提升水凝膠的力學性能，研究者合成了具有高溶脹能力的丙磺酸類（AMPS）微凝膠。使其具備良好的制造和打印能力。打印后，AM單體經(jīng)過UV固化可轉變形成穿透的PAM網(wǎng)絡，這兩步分步成型固化方式可形成性能良好的雙網(wǎng)絡水凝膠。

圖1 生物墨水的制備

流變與力學性能
墨水保持了很好的觸變性，使其能輕易的被擠出式打印。并展示出了良好的力學性能，DNGH可以重復支撐高達1.3 MPa的拉伸載荷。

圖2 墨水的流變特性

圖3 墨水的力學性能

墨水的打印
由于材料的觸變性能強，該墨水可以輕易被打印，并保持非常好的力學性能。比目前已知的3D打印墨水都要堅硬。

圖4 墨水的打印性能

圖5 與其他水凝膠的對比

圖6 打印不同模型

總結
總之，研究者引入了一種模塊化，通用的方法來增材制造強韌的復雜水凝膠。水凝膠由堵塞的微凝膠組成，這些微凝膠通過第二個共價交聯(lián)的滲濾網(wǎng)絡連接。研究者的方法將堵塞的微凝膠的有利流變特性與雙網(wǎng)狀水凝膠的優(yōu)異機械性能相結合，以增材制造可選擇性地適應性強而堅硬的顆粒狀水凝膠。因為相鄰的微凝膠嵌入在滲濾3D網(wǎng)絡中，所以添加劑制造的材料的機械性能是各向同性的，并且與打印方向無關。重要的是，制造DNGH的兩步法不僅限于水凝膠顆粒，還可以擴展到可加工成多孔顆粒的多種材料。因此，它顯著擴大了可以3D打印成復雜的機械堅固材料的材料范圍。粒狀墨水設計的靈活性以及對微米長度刻度結構的出色控制，為設計下一代堅固耐用的軟機器人和植入物提供了新的可能性，這些機器人和植入物可以響應外部刺激而局部適應其性能。

參考文獻
Hirsch, M. , Charlet, A. , & Amstad, E. . (2020). 3d printing of strong and tough double network granular hydrogels. Advanced Functional Materials.

(DOI: 10.1002/adfm.2020059292)