蘭州化物所：3D打印強(qiáng)韌濕滑水凝膠材料與功能器件研究取得系列進(jìn)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(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)、潤滑涂層、智能傳感、柔性電子、驅(qū)動(dòng)變形等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，實(shí)現(xiàn)水凝膠材料在機(jī)械性能和功能結(jié)構(gòu)化制造之間取得良好平衡仍然是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。近期，中國科學(xué)院蘭州化物所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3D打印摩擦器件研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)展。

該團(tuán)隊(duì)在前期直書寫3D打印高強(qiáng)韌水凝膠基礎(chǔ)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(yīng)變誘導(dǎo)微相分離機(jī)制實(shí)現(xiàn)了高精度光固化3D打印超強(qiáng)韌水凝膠（Advanced Functional Materials,2022,2210395）（圖1）。相關(guān)材料與技術(shù)已獲2件中國發(fā)明專利授權(quán)（ZL 201810541767.3；ZL 202111591052.7）。

圖1. 仿生氫鍵工程策略構(gòu)筑的光固化3D打印超強(qiáng)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(diào)控，實(shí)現(xiàn)了因溶脹誘導(dǎo)的局部應(yīng)力差導(dǎo)致的可控變形（Advanced Materials Technologies,2021,7,2101288）（圖2）。相關(guān)技術(shù)已獲中國發(fā)明專利授權(quán)（ZL 201910509477.5）。

圖2. 灰度3D打印可控變形水凝膠仿生結(jié)構(gòu)

利用水凝膠優(yōu)異的水潤滑性能和3D打印技術(shù)的個(gè)性化制造優(yōu)勢，該團(tuán)隊(duì)近期發(fā)展了水凝膠動(dòng)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(yīng)用提供了材料技術(shù)（圖3）。相關(guān)材料與技術(shù)已獲2件中國發(fā)明專利授權(quán)（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(tuán)隊(duì)采用高精度3D打印構(gòu)筑的水凝膠仿章魚吸盤結(jié)構(gòu)在水下粘附方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能（Chemical Engineering Journal，2023，141268）（圖4），結(jié)合3D打印導(dǎo)電離子水凝膠良好的應(yīng)力傳感性（Journal of Materials Chemistry C,2022,10,14288-14295），為3D打印水凝膠在仿生驅(qū)動(dòng)、健康監(jiān)測和柔性機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的材料技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)材料與技術(shù)已獲2件中國發(fā)明專利授權(quán)（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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院“西部之光”交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目等的支持。