AFM 浙大錢勁、吳子良、尹�。豪�用溶脹失配打印仿生變形水凝膠結(jié)構(gòu)

來源：EngineeringForLife

自然界中許多植物器官具有對力，光和水分等外部刺激作出反應(yīng)的變形能力。受到這些自然系統(tǒng)的啟發(fā)，科學家們開發(fā)了各種具有可編程變形的仿生水凝膠，這些水凝膠在軟致動器，藥物輸送，智能設(shè)備和組織工程中具有廣闊的應(yīng)用前景等�？删幊套冃蔚囊话悴呗允菢�(gòu)建具有不同響應(yīng)的組件梯度，建立內(nèi)部應(yīng)力并驅(qū)動水凝膠的形狀變化。一種廣泛使用的方法是雙層水凝膠，即頂層和底層是成分和響應(yīng)不同的凝膠，當一層的膨脹/收縮大于另一層時，它在外界刺激下表現(xiàn)出彎曲變形。通過整合具有特定雙層結(jié)構(gòu)的多個單元，復合水凝膠可以變形為復雜的構(gòu)型。

近期，來自浙江大學的錢勁、吳子良、尹俊教授團隊在advanced functional materials發(fā)表了題為“Solvent-Cast-Assisted Printing of Biomimetic Morphing Hydrogel Structures with Solvent Evaporation-Induced Swelling Mismatch”的文章。報道了一種基于溶劑澆鑄輔助打印的制備變形水凝膠結(jié)構(gòu)的簡便方法，利用溶劑蒸發(fā)導致的膨脹失配，通過控制打印圖案可以獲得不同的變形水凝膠結(jié)構(gòu)。膨脹后，這些水凝膠結(jié)構(gòu)顯示出可控的變形。

圖1 P(SA-co-AAc)乙醇溶液的溶劑澆鑄打印示意圖

研究人員將聚(丙烯酸硬脂酯-共聚丙烯酸) （P(SA-coAAc)）乙醇溶液直接擠出打印在底板上，通過溶劑揮發(fā)使其逐漸固化。在溶劑交換的水中膨脹后，打印的纖維形成堅韌的水凝膠，因為SA單元的長烷基鏈形成疏水結(jié)構(gòu)域，并作為凝膠基質(zhì)的物理交聯(lián)。在溶脹過程前，凝膠的力學行為和溶脹行為可以通過乙醇溶液的聚合物濃度和蒸發(fā)時間進行嚴格的調(diào)節(jié)。后打印的纖維通常具有較大的膨脹率，但力學性能相對較差。通過控制印花圖案和上層和底層纖維之間的膨脹不匹配可以開發(fā)出各種變形的水凝膠結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)變形成復雜的仿生結(jié)構(gòu)。

圖2 P(SA-co-AAc)溶液的可打印性

為了評價P(SA-co-AAC)溶液的打印性能，研究者測試了不同噴嘴直徑和聚合物濃度。結(jié)果顯示當聚合物濃度在30~45wt%之間，噴嘴直徑在60~330μm范圍內(nèi)時，溶液可以打印成三維結(jié)構(gòu)。當濃度低于30wt%或高于45wt%時，溶液太稀或太粘，不能打印。用濃度為35wt%、噴嘴直徑為110μm的溶劑構(gòu)建了各種2D圖案和3D結(jié)構(gòu)。單絲的俯視顯微照片和兩層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的共聚焦熒光圖像表明，打印的構(gòu)件與直徑約為200μm的凝膠纖維具有良好的形狀保真度。3D打印結(jié)構(gòu)也可以通過這種溶劑鑄造打印來開發(fā)。

圖3 不同排列方向打印的水凝膠結(jié)構(gòu)初始構(gòu)型和變形后構(gòu)型

研究人員制造了具有多層結(jié)構(gòu)的水凝膠結(jié)構(gòu)來演示程序化變形。將濃度為35wt%的墨水打印成具有正交排列的細絲的網(wǎng)格，蒸發(fā)60min，作為鈍化層。隨后，以相對于底部柵格的長軸的斜角θ在柵格頂部打印平行細絲。在對打印結(jié)構(gòu)進行溶脹后，后打印的纖維具有較高的膨脹率，并且作為凝膠結(jié)構(gòu)的活性層。正如預期的那樣，凝膠結(jié)構(gòu)沿著后打印的凝膠纖維彎曲。不同斜角打印出的結(jié)構(gòu)具有不同的變形結(jié)果。

圖4 以生物為靈感的3D打印結(jié)構(gòu)

復雜的變形和最終配置可以通過設(shè)計打印結(jié)構(gòu)來編程，研究者展示了蝸牛殼，貝殼，荷葉，春草和花朵的仿生結(jié)構(gòu)。這種打印技術(shù)是設(shè)計一系列可溶于低沸點溶劑而無需化學交聯(lián)的堅韌水凝膠和彈性體(如梳狀/瓶刷聚合物水凝膠、殼聚糖水凝膠和嵌段共聚物)的有用策略，為使用這些變形凝膠結(jié)構(gòu)的生物醫(yī)療設(shè)備和軟機器人的開發(fā)創(chuàng)造了機會。

參考文獻
Gang Guo,Qian Wu,Fengrui Liu,Jun Yin,Zi Liang Wu,Qiang Zheng,Jin Qian. Solvent-Cast-Assisted Printing of Biomimetic Morphing Hydrogel Structures with Solvent Evaporation-Induced Swelling Mismatch. advanced functional materials
https://doi.org/10.1002/adfm.202108548