《Science》：彈性模量提高3.5倍！美國賓夕法尼亞大學(xué)提出新型3D打印技術(shù)

來源： EngineeringForLife

糾纏在自然界中無處不在，從染色體DNA到蠕蟲的動態(tài)糾纏都有例子。聚合物熔體中的糾纏已經(jīng)被廣泛研究；然而，糾纏對聚合物網(wǎng)絡(luò)的疲勞和斷裂的作用直到最近才被認(rèn)識到。與化學(xué)交聯(lián)不同，糾纏作為非永久性交聯(lián)，可以在應(yīng)力下相互滑動，從而同時增加材料模量和韌性，而不會導(dǎo)致脆化或滯后。因此，人們有興趣利用糾纏作為材料內(nèi)的增強(qiáng)手段，包括通過新興的光刻增材制造技術(shù)生產(chǎn)的材料，如數(shù)字光處理（DLP）、連續(xù)液體界面生產(chǎn)或計算軸向光刻。由于預(yù)先存在的糾纏使得聚合物熔體具有極高的粘度，這些方法難以均勻加工聚合物熔體。因此，開發(fā)低粘度（單體或低聚物）樹脂，在聚合物鏈形成時引入糾纏是有益的。實現(xiàn)鏈增長和密集鏈糾纏的同時發(fā)生需要精確控制樹脂成分（即單體、交聯(lián)劑和光引發(fā)劑）。一種方法是使用異常低的光引發(fā)劑濃度（<0.01 wt.%）；然而，這導(dǎo)致反應(yīng)速率緩慢（數(shù)小時），與許多依賴快速交聯(lián)（幾秒鐘內(nèi)）的槽式光聚合技術(shù)（例如，DLP）不兼容（圖1A）。高光引發(fā)劑濃度或輻射暴露顯著加快聚合速度，但這些方法導(dǎo)致過多的起始點和鏈終止事件，建立了一個含有高比例懸垂鏈的網(wǎng)絡(luò)。這些懸垂鏈上的糾纏沒有被共價交聯(lián)所固定，因此在張力下的較高負(fù)載下無法承受。因此，在高度糾纏的聚合物網(wǎng)絡(luò)的槽式光聚合中存在一個權(quán)衡，其中制造需要快速反應(yīng)，但這減少了聚合物擁擠和有效糾纏的形成。

來自美國賓夕法尼亞大學(xué)的Jason A. Burdick團(tuán)隊提出了一種結(jié)合了光照聚合和暗反應(yīng)聚合的策略，使得構(gòu)成聚合物鏈在打印結(jié)構(gòu)形成時能夠密集地糾纏在一起。這種通用的方法可以在室溫下達(dá)到高單體轉(zhuǎn)化率，而無需在打印后額外施加如光或熱等刺激，并能夠?qū)崿F(xiàn)高度糾纏的水凝膠和彈性體的增材制造，其延展能量是傳統(tǒng)DLP的四到七倍。本文使用這種方法打印了高分辨率和多材料結(jié)構(gòu)，具有空間編程粘附濕組織等特性。相關(guān)工作以題為“Additive manufacturing of highly entangled polymer nETworks”的文章發(fā)表在2024年08月01日的國際頂級期刊《Science》。   

【用于3D打印的結(jié)合光照聚合和暗反應(yīng)聚合】

DLP是一種有前景的自下而上的槽式光聚合方法，它允許通過逐層投影2D切片圖像來高速制造3D物體。盡管DLP充滿希望，但處理參數(shù)，如用于控制分辨率的光衰減添加劑、氧阻聚和自由基介導(dǎo)鏈增長反應(yīng)的擴(kuò)散限制，可能會引入單體轉(zhuǎn)化率的梯度，從而降低長聚合物鏈的總體濃度和打印物體的最終強(qiáng)度（圖1B）。為克服這種機(jī)械性能-可加工性的沖突，在這項工作中，本文引入了一步連續(xù)固化過程，即光照后輔助氧化還原引發(fā)的CLEAR過程，以使用槽式光聚合方法形成高度糾纏的聚合物網(wǎng)絡(luò)。CLEAR允許空間光照射（即光聚合）來設(shè)定物體的形狀，而補(bǔ)充的氧化還原反應(yīng)（即暗反應(yīng)聚合）允許物體內(nèi)未反應(yīng)的單體緩慢達(dá)到完全轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)高濃度的聚合物鏈糾纏（圖1C）。這種連續(xù)固化過程在室溫下進(jìn)行，無需涉及光或熱的額外步驟。

本文首先展示了CLEAR在水凝膠加工中的應(yīng)用。盡管水凝膠在組織修復(fù)、藥物輸送和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備方面引起了人們的興趣，但3D打印水凝膠的機(jī)械性能通常遠(yuǎn)低于通過鑄造的水凝膠。本文選擇丙烯酰胺作為本文模型單體，低濃度的雙丙烯酰胺作為交聯(lián)劑。當(dāng)通過鑄造以非常慢的反應(yīng)速率形成時，水凝膠包含密集的糾纏和稀疏的交聯(lián)，從而實現(xiàn)高模量和高韌性。對于打印，DLP樹脂包含了單體、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑和光吸收劑的混合物，而CLEAR樹脂則在3D打印前加入了相同的成分以及氧化還原引發(fā)劑。在沒有交聯(lián)劑的情況下，從DLP和CLEAR樹脂制備的薄（100微米）薄膜的1H核磁共振（NMR）光譜表明，對于CLEAR，丙烯酰胺消失并出現(xiàn)了聚丙烯酰胺（~98%轉(zhuǎn)化率），而對于DLP，~95%的丙烯酰胺仍未反應(yīng)（圖1D）。當(dāng)使用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）測量時，薄膜的光暴露（與打印期間傳遞到單層的能量0.2 J cm−2相匹配）在輻照期間為DLP和CLEAR樹脂都導(dǎo)致了近20%的轉(zhuǎn)化率（圖1E）。然而，輻照后DLP的轉(zhuǎn)化率保持不變，而CLEAR的轉(zhuǎn)化率隨著氧化還原反應(yīng)（暗反應(yīng)聚合）完全消耗未反應(yīng)的單體而穩(wěn)步增加到100%。這種暗反應(yīng)聚合也通過CLEAR隨時間增加的儲存模量（G′）反映出來，相比之下，DLP的G′在光輻照后保持不變（圖1F）。   

圖1 CLEAR打印   

DLP和CLEAR水凝膠樹脂被3D打印成固體物體并膨脹直至平衡。與使用DLP打印的水凝膠相比，使用CLEAR打印的水凝膠在拉伸下的彈性模量（ET）和斷裂功（Wf）分別增加了近兩倍和四倍，并且其性能與鑄造獲得的水凝膠相匹配（圖2A到C）。CLEAR打印的水凝膠承受了高達(dá)250 kPa的名義應(yīng)力（這對應(yīng)于接近1 MPa的真實拉伸強(qiáng)度），而DLP打印的水凝膠則明顯較弱，在低拉伸伸長率下就失效了，這一點通過CLEAR打印的水凝膠環(huán)在近200 kPa的名義應(yīng)力下提起重物的能力進(jìn)一步得到說明（圖2D）。此外，CLEAR打印的水凝膠的ET和Wf與拉伸速率的兩個數(shù)量級無關(guān)，這意味著近乎完美的彈性。

對CLEAR打印水凝膠的彈性的理論預(yù)測表明，相對于共價交聯(lián)，其糾纏水平高出11倍至15倍。CLEAR打印的水凝膠還在壓縮和剪切下顯示出增加的機(jī)械性能，以及在膨脹后聚合物含量增加熒光探針擴(kuò)散速度減慢，這可能是由于在CLEAR水凝膠內(nèi)單體轉(zhuǎn)化率提高導(dǎo)致的聚合物鏈糾纏或有效交聯(lián)增加。當(dāng)通過原子力顯微鏡（AFM）在納米尺度上映射時，與DLP制造的水凝膠相比，CLEAR打印的水凝膠表現(xiàn)出高出3.5倍的模量（圖2E），這一現(xiàn)象在整個z層的深度中都能觀察到，意味著CLEAR驅(qū)動整個打印部件達(dá)到更高的轉(zhuǎn)化率，而不僅僅是最外層的xy層。所有測試都是在膨脹的水凝膠上進(jìn)行的，這更好地代表了水凝膠使用的環(huán)境，但并非所有報道的水凝膠都是這種情況，這可能會顯著降低它們的機(jī)械性能。盡管是3D打印并膨脹的，CLEAR打印的高度糾纏的單網(wǎng)絡(luò)水凝膠的ET和Wf值匹配或超過了已報道的單網(wǎng)絡(luò)水凝膠的ET和Wf值（圖2F）。

圖2 CLEAR技術(shù)使得具有增強(qiáng)機(jī)械性能的高度糾纏水凝膠的3D打印成為可能

【CLEAR打印高分辨率和多樣化的3D結(jié)構(gòu)】
CLEAR打印可以幫助解決高度糾纏水凝膠的機(jī)械性能-可加工性沖突。與可能因無法支撐自身重量或從構(gòu)建板上恢復(fù)而難以加工的柔軟或脆弱水凝膠不同，高度糾纏的水凝膠可以被加工成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料。CLEAR允許在水凝膠內(nèi)生成多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（例如，模仿小梁骨的特征、打結(jié)幾何形狀、具有相互連接空隙的gyroid結(jié)構(gòu)或大孔格構(gòu)結(jié)構(gòu)）或開放通道（圖3A）。DLP和CLEAR都實現(xiàn)了高打印分辨率和保真度（即使在膨脹后，名義xy和z負(fù)特征尺寸也達(dá)到~400微米），暗反應(yīng)聚合不會對分辨率產(chǎn)生負(fù)面影響。CLEAR也可用于多材料打印，以在z和xy方向上創(chuàng)建異質(zhì)區(qū)域（圖3B），以及打印成適應(yīng)曲面的多孔幾何形狀，從而制成“堅硬但靈活”的材料（圖3C）。此外，CLEAR打印的水凝膠可以被塑造成拉脹結(jié)構(gòu)，如超材料格構(gòu)（例如，八面體桁架）（圖3D）或線圈（圖3E），這些結(jié)構(gòu)可以承受壓縮或拉伸負(fù)載，且?guī)缀鯚o滯后現(xiàn)象（通過結(jié)構(gòu)在去除負(fù)載后能夠恢復(fù)其原始形狀而不發(fā)生塑性變形的能力來證明）。最后，CLEAR可以修改為連續(xù)打印方法，以進(jìn)一步加速處理時間，這一動機(jī)源于光刻打印技術(shù)之前的進(jìn)步。   

在將不同的打印組件整合成單一結(jié)構(gòu)方面也有很大的興趣（例如，嵌入電子傳感器或集成微流控電路），這在使用傳統(tǒng)打印技術(shù)時具有挑戰(zhàn)性。在這項工作中，CLEAR作為一項退火技術(shù)，用于組裝3D打印的水凝膠設(shè)備，無需任何額外的試劑或基底功能化（圖3F）。持續(xù)的氧化還原反應(yīng)（通過CLEAR實現(xiàn)）導(dǎo)致當(dāng)兩個（或更多）水凝膠接觸時，在界面處形成糾纏聚合物網(wǎng)絡(luò)。這種方法提供了強(qiáng)大的機(jī)械互鎖，從而產(chǎn)生了高的整合強(qiáng)度（650 J m−2），與水凝膠本身的斷裂韌性相似。值得注意的是，整合強(qiáng)度隨接觸前的時間（從立即到4小時之間）而降低，而達(dá)到高整合強(qiáng)度的時間窗口取決于氧化還原引發(fā)劑的濃度和打印所需對象所需的時間。作為概念驗證，本文通過退火帶有開放通道的水凝膠，成功制備了一個封閉的蛇形儲存器。

圖3 CLEAR技術(shù)能夠?qū)⒏叨燃m纏的水凝膠加工成具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維物體

【使用CLEAR打印技術(shù)對組織粘附進(jìn)行空間編程】
水凝膠因其在物理性質(zhì)上的可調(diào)性和傳遞治療藥物的能力，正被開發(fā)為多功能的組織粘合劑，然而，堅硬但易碎的水凝膠的粘合很困難，因為界面裂縫容易引發(fā)內(nèi)聚性失效。因此，人們希望提高材料的韌性以消散機(jī)械能并限制裂縫擴(kuò)展。已有多種方法被描述用于增強(qiáng)水凝膠的韌性（例如，互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)或軟硬區(qū)域的復(fù)合水凝膠）；然而，這些系統(tǒng)通常需要多步驟制造并且表現(xiàn)出明顯的機(jī)械滯后性。   

高度糾纏的水凝膠因其單網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和能夠3D打印預(yù)設(shè)幾何形狀的能力而提供了解決方案（圖4A）。為通過形成界面鍵來幫助粘合，本文在高度糾纏的水凝膠中引入了羧酸基團(tuán)。使用CLEAR打印的高度糾纏的粘合水凝膠（丙烯酰胺：丙烯酸的摩爾比為1:1）顯示出高彈性模量（ET）220 kPa和功函數(shù)（Wf）774 kJ m−3，分別幾乎是單獨使用DLP打印的6倍和4.6倍，前者具有低滯后性（拉伸2時的12.6%）和高人骨髓間充質(zhì)細(xì)胞存活率（>95%）。當(dāng)水凝膠應(yīng)用于離體豬心臟組織時，通過物理交聯(lián)（即氫鍵或靜電相互作用）實現(xiàn)了牢固的粘合，并且通過與一種成熟的橋接聚合物（例如，殼聚糖）的機(jī)械互鎖進(jìn)一步增強(qiáng)了粘合的穩(wěn)定性。當(dāng)應(yīng)用于各種濕潤的豬組織（例如，心臟、肺、胃、小腸或肌腱）時，CLEAR打印的粘合水凝膠展現(xiàn)出高界面韌性（Γint，平均值從265到895 J m−2）和剪切強(qiáng)度（高達(dá)50 kPa）值（圖4B）。例如，使用CLEAR打印的、高度糾纏的單網(wǎng)絡(luò)水凝膠獲得的界面韌性（高達(dá)1410 J m−2）與鑄造的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠相當(dāng)（400到1700 J m−2），遠(yuǎn)高于使用相同粘合方法的鑄造單網(wǎng)絡(luò)水凝膠（10到400 J m−2）。   

圖4 CLEAR打印技術(shù)使得高度糾纏的水凝膠具有空間可編程的組織粘附性成為可能

堅韌的水凝膠可以迅速制成所需的形狀，這些形狀通過傳統(tǒng)的鑄造或成型方法很難實現(xiàn)。例如，3D打印使得水凝膠能夠加工成拉脹結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)賦予了大的彎曲順應(yīng)性，以適應(yīng)器官（例如，豬心臟）的曲面，即使在血液存在的情況下也是如此（圖4C）。CLEAR打印的粘合水凝膠的性能還允許即使在大變形下也能保持粘合，不會導(dǎo)致脫粘或破裂，在腸道組織周圍包裹，同時允許蠕動運動（通過體外磷酸鹽緩沖鹽水流動模擬）而不會造成收縮，并且?guī)缀跄芤越?3 kPa的強(qiáng)大側(cè)向整合力壓配到軟骨缺損處。在高度糾纏的粘合水凝膠中CLEAR打印開放凹槽，便于直接在組織界面形成封閉通道而不會發(fā)生泄漏，這可用于局部遞送治療劑或?qū)⒃噭┹斔偷接|發(fā)分離的部位（圖4D）。此外，CLEAR使得能夠打印具有可調(diào)粘合性的水凝膠，通過3D脊實現(xiàn)了粘合強(qiáng)度的空間編程，即通過將脊間距增加一倍，穩(wěn)態(tài)剝離力從近2.9 N降低到1.7 N�？梢酝ㄟ^包含非線性切口的超材料圖案來使用粘合，以抑制裂縫擴(kuò)展。利用CLEAR打印帶有編程非線性切口的水凝膠可以實現(xiàn)定向粘合，其中正向方向會困住傳播的裂縫并將它們引導(dǎo)至反方向，以實現(xiàn)高且穩(wěn)定的粘合力（FS = 2.2 ± 0.6 N），而在反方向剝離僅需0.4 N（約五倍低）的力（圖4E）。這種方法與未圖案化的水凝膠相比，將粘合力和剝離力提高了兩倍，而無需改變材料成分。   

【總結(jié)與展望】
為某些特定應(yīng)用定制水凝膠的空間粘附性以確保可逆性是一個巨大的挑戰(zhàn)。盡管可以通過超聲波或修改基底來實現(xiàn)圖案化，但這些方法在3D復(fù)雜性上十分有限，而多材料CLEAR打印是一種簡單方法，其可以在z或xy方向上區(qū)分“粘性”（丙烯酰胺和丙烯酸）和“滑性”（丙烯酰胺）區(qū)域。當(dāng)應(yīng)用于組織時，CLEAR打印貼片中的滑性區(qū)域無法粘附，這便于輕松移除而不損壞下面的基底，而粘性區(qū)域則確保貼片與組織的結(jié)合。多材料CLEAR打印可用于將高含水量的水凝膠粘合到彈性體上，這克服了鑄造和成型方法的固有問題。多材料CLEAR打印還允許將粘合水凝膠層與彈性體整合，從而形成功能性水凝膠-彈性體混合體，這些混合體具有組織粘附性并克服了低橋接聚合物滲透到彈性體中的挑戰(zhàn)。這些示例展示了3D打印和CLEAR尚未開發(fā)的潛力，這可以為設(shè)計下一代基于水凝膠的組織粘合劑開辟道路，用于感知、監(jiān)測和管理人類健康。

文章來源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn6925