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(lái)源：EngineeringForLife

水凝膠-聚合物雜化材料已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和柔性電子器件等領(lǐng)域。然而，目前能與水凝膠牢固結(jié)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(jiǎn)單的層疊結(jié)構(gòu)，因此，迫切需要一種設(shè)計(jì)自由度高、材料選擇豐富的水凝膠-聚合物雜化結(jié)構(gòu)的有效制造方法。

近期，來(lái)自南方科技大學(xué)的葛锜團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)的曲紹興團(tuán)隊(duì)、西北工業(yè)大學(xué)的張彪團(tuán)隊(duì)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(guān)人員研發(fā)了一種簡(jiǎn)單而通用的基于投影式光固化的多材料3D打印方法來(lái)制造復(fù)雜的雜化材料3D結(jié)構(gòu)，并利用該方法進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用的制造。該方法實(shí)現(xiàn)了水凝膠與其它聚合物的三維粘結(jié)，為多功能柔性電子器件和相關(guān)設(shè)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(jī)上打印水凝膠-聚合物多相結(jié)構(gòu)（圖1）。該設(shè)備采用光源下置式的投影方式，并在打印成形平臺(tái)和UV投影儀之間安裝有一個(gè)聚四氟乙烯涂層玻璃板充當(dāng)打印機(jī)料槽的作用，其可提供兩到三個(gè)料槽位以供選擇，通過(guò)水平移動(dòng)的方式進(jìn)行打印材料的轉(zhuǎn)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(jìn)一步研究了打印過(guò)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(jié)合機(jī)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(jié)合機(jī)制。

圖2 打印材料與粘合機(jī)理

其次，為了驗(yàn)證和解釋水凝膠與(甲基)丙烯酸酯聚合物界面結(jié)合的機(jī)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(zhuǎn)化率，并對(duì)其粘接性能進(jìn)行了比較。

圖3 聚合轉(zhuǎn)化率和粘接性能的比較

接下來(lái)，研究人員打印了由剛性聚合物增強(qiáng)水凝膠復(fù)合材料構(gòu)成的馬蹄形結(jié)構(gòu)（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(fù)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(qiáng)水凝膠復(fù)合材料

進(jìn)一步地，研究人員使用SMP材料結(jié)合水凝膠進(jìn)行了心血管支架的4D打�。▓D5），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(gè)柔性氣動(dòng)執(zhí)行器(SPA)，并進(jìn)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(yīng)變關(guān)系。

圖6 利用光固化投影打印的帶有水凝膠應(yīng)變傳感器的柔性氣動(dòng)執(zhí)行器

總的來(lái)說(shuō)，該文中研究人員研發(fā)了一種簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)由高度可拉伸的水凝膠與各種不同的UV固化聚合物共價(jià)結(jié)合而成，同時(shí)該研究展示了這種多材料3D打印方法的多種應(yīng)用場(chǎng)景。展望未來(lái)，該方法通過(guò)將水凝膠與其他UV聚合物以三維粘合的形式結(jié)合在一起，為制造具有極大擴(kuò)展功能和性能的柔性設(shè)備及器件提供了一條有效的途徑。