創(chuàng)新強韌！3D打印可耐疲勞、高強度的纖維增強水凝膠復合材料

在柔性電子和生物醫(yī)學等領域，需要高強度、高韌性和生物相容性的材料。傳統(tǒng)材料往往在強度和韌性之間存在權衡，這限制了它們在這些領域的應用。因此，開發(fā)具有出色力學性能的新型材料變得尤為重要。水凝膠作為一類廣泛應用于生物醫(yī)學和3D打印的材料，具有出色的生物相容性，但其力學性能相對較弱。因此，引入納米纖維等增強材料成為改善水凝膠力學性能的重要策略。

圖1：由芳綸納米纖維增強的堅固、堅韌、抗疲勞且可 3D 打印的水凝膠復合材料

由清華大學李曉雁教授和南方科技大學葛锜教授共同研發(fā)了由芳綸納米纖維增強的堅固、堅韌、抗疲勞且可 3D 打印的水凝膠復合材料。該研究旨在通過引入納米纖維來增強水凝膠的力學性能，從而在3D打印領域實現更廣泛的應用，包括柔性電子和生物醫(yī)學器械。研究人員將對甲酰胺-聚（乙二醇）丙烯酸酯（AP）水凝膠中引入的對苯二甲酰胺納米纖維（ANFs）進行光化學修飾，從而引發(fā)其與水凝膠之間的共價交聯和氫鍵相互作用。這些復合材料在強度、斷裂韌性和疲勞閾值方面都表現出顯著的提升，使它們成為用于3D打印的理想選擇。

制備與表征
研究首先制備了一種以阿麻纖維（ANF）為增強劑的水凝膠復合材料。通過將ANF纖維分散在去離子水中，制備含有不同濃度（0.1 wt%，0.2 wt%，0.3 wt%）的ANF纖維分散液。將此分散液與適當比例的單體、交聯劑和光引發(fā)劑混合，制備出ANF-水凝膠復合材料。使用掃描電子顯微鏡（SEM）等手段對復合材料進行了表征，結果顯示ANF與水凝膠之間形成了交聯網絡，同時在復合材料中觀察到了微米級和納米級的孔洞結構。

圖2：ANF-水凝膠復合材料的制備和表征。

材料性能測試
1. 機械性能測試： 使用單軸拉伸測試儀測量了不同ANF濃度下的復合材料的力學性能。研究發(fā)現，隨著ANF濃度的增加，復合材料的模量和強度顯著提高，但斷裂伸長率略有降低。復合材料的韌性也得到了顯著提高，斷裂能量提高了近一個數量級。

圖3：ANF-水凝膠復合材料的機械測試。

2. 疲勞性能測試： 對復合材料進行了疲勞性能測試，發(fā)現ANF-水凝膠復合材料的疲勞閾值顯著提高，疲勞裂紋擴展速率降低。與傳統(tǒng)水凝膠相比，復合材料表現出更好的疲勞性能。

圖4：ANF-水凝膠復合材料的疲勞測試。

3. 3D打印與生物相容性：使用光固化3D打印技術（PμSL）制備了不同結構的ANF-水凝膠復合材料。復合材料在3D打印過程中表現出了良好的打印分辨率和延展性。生物相容性測試顯示，復合材料在細胞培養(yǎng)實驗中表現出良好的生物相容性。

圖5：ANF-水凝膠復合材料的3D打印、生物相容性和性能比較。

應用前景
該研究可以應用于靈活的電子設備制造。研究中合成的ANF-水凝膠復合材料具有增強的機械性能、高印刷分辨率和良好的生物相容性，表明這些復合材料是用于體內靈活電子器件制造的良好候選材料。當將1 M氯化鈉加入ANF-水凝膠溶液中時，復合材料變得導電。為了表征在變形時復合材料的電阻特性，研究人員使用加入鹽的0.3 wt% ANF-水凝膠溶液鑄造了狗骨形薄膜（尺寸約為20×40×2 mm3）。未變形狀態(tài)和拉伸、彎曲、扭曲等三種基本變形模式如圖6a所示。測量了狗骨形薄膜的原位電阻響應，如圖6b所示。在被拉伸時，電阻顯著增加；在彎曲過程中略微減小；在扭曲時略微增加。值得注意的是，當薄膜恢復到未變形狀態(tài)時，電阻幾乎恢復到初始值。此外，研究人員使用導電性為0.3 wt%的ANF-水凝膠溶液，將仿生氣墊結構印刷成壓敏傳感器。圖6c顯示了由兩個平板夾持的定期排列的空心五邊形棱柱結構，壓力傳感器在初始狀態(tài)和施加壓力下的情況。他們對印刷的壓力傳感器進行了長期的循環(huán)加載測試，以測試其機械和電子性能的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的機械和電子性能以及良好的生物相容性滿足了這些ANF-水凝膠復合材料在生物體內制造靈活電子設備的要求。此外，研究人員還根據人體膝蓋半月板的計算機斷層掃描（CT掃描）使用0.3 wt% ANF-水凝膠復合材料打印出人工半月板，并表明其在長期加載下具有穩(wěn)定的機械響應。

圖6：ANF-水凝膠復合材料作為柔性電子器件的應用。

總的來說，該研究展示了ANF-水凝膠復合材料在機械性能、3D打印能力和應用方面的優(yōu)勢。表S1總結了該研究的ANF-水凝膠復合材料以及先前報道的各種3D打印可行的水凝膠（通過DLP或DIW）的機械性能和打印分辨率。在這些3D打印可行的水凝膠中，該研究的ANF-水凝膠復合材料展示了高強度、高斷裂能量和顯著的疲勞抗性的組合，同時具有約16μm的高打印分辨率。因此，該研究的ANF-水凝膠復合材料在柔性電子器件、生物醫(yī)學和組織工程等領域具有潛在應用，這些領域同時需要優(yōu)異的機械性能和高打印分辨率。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.020