福建農(nóng)林大學(xué)劉文地、邱仁輝：利用高韌性水凝膠3D打印定制可穿戴柔性傳感器

來源： EFL生物3D打印與生物制造

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，如何高效制造高精度、定制化水凝膠結(jié)構(gòu)備受關(guān)注。然而，目前大多數(shù)水凝膠只能通過擠出式打印技術(shù)進(jìn)行三維制造，這使水凝膠的打印效率和精度受到了限制。另一方面，在光固化打印過程中，水凝膠中固有的水分會降低單體聚合速度，導(dǎo)致已固化的水凝膠無法實(shí)現(xiàn)快速的固液分離，從而增加了光固化制造水凝膠三維結(jié)構(gòu)的難度。

近期，來自福建農(nóng)林大學(xué)的劉文地、邱仁輝合作提出了一種利用投影式光固化技術(shù)快速打印高精度水凝膠的策略，該研究通過設(shè)計(jì)一種基于非共價(jià)相互作用的互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠來形成物理交聯(lián)，從而為打印過程提供快速的固液分離。相關(guān)論文“Photocurable 3D Printing of High Toughness and Self-Healing Hydrogels for Customized Wearable Flexible Sensors”發(fā)表在“Advanced Functional Materials”雜志上。

首先，研究人員將聚（丙烯酸（AA）-N-乙烯基-2-吡咯烷酮（NVP））和羧甲基纖維素（CMC）通過氫鍵和金屬配位鍵等非共價(jià)鍵作用力實(shí)現(xiàn)物理交聯(lián)（圖1），從而實(shí)現(xiàn)打印過程中的快速固液分離。

圖1 光固化3D打印水凝膠策略

其次，研究人員探究了CMC和NVP-AA的重量比和含水量的不同對水凝膠機(jī)械性能的影響（圖2），發(fā)現(xiàn)CMC與NVP-AA重量比為0.8 %時(shí)水凝膠拉伸韌性最高，凝膠含水量為40 wt%時(shí)分離度和拉伸韌性最優(yōu)。

圖2 互滲透網(wǎng)絡(luò)水凝膠的機(jī)理與性能

研究人員通過投影式光固化技術(shù)構(gòu)建了一些具有較高分辨率、形狀可設(shè)計(jì)且能夠保持高拉伸韌性、自修復(fù)能力的樣品（圖3），進(jìn)一步證明水凝膠的性能，從而確認(rèn)了墨水的最佳設(shè)計(jì)配方。

圖3 水凝膠打印樣品

接著，研究人員評估了拉伸應(yīng)變?yōu)?0%、20%和40%情況下水凝膠的傳感性能（圖4），在相同應(yīng)變下觀察到其電阻響應(yīng)具有很高的再現(xiàn)性，并且隨著拉伸應(yīng)變的增加，電阻響應(yīng)的幅度也逐漸增加。通過循環(huán)拉伸應(yīng)變測試觀察到水凝膠電阻響應(yīng)幾乎保持不變，證明了水凝膠傳感器具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)響應(yīng)性。

圖4 水凝膠傳感器的拉伸應(yīng)變測試

最后，研究人員利用投影式光固化技術(shù)對該水凝膠進(jìn)行了打印制造，構(gòu)建了可適應(yīng)復(fù)雜人體結(jié)構(gòu)的柔性傳感器（圖5），并定制了具有不同電阻響應(yīng)的柔性傳感器部件以用于組裝更復(fù)雜的穿戴設(shè)備（圖6），實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了3D打印技術(shù)的用于可穿戴設(shè)備的可設(shè)計(jì)性。

圖5 3D打印可穿戴的柔性傳感器

圖6 打印并組裝的可穿戴柔性傳感器

綜上所述，該文章利用物理交聯(lián)取代共價(jià)鍵和互穿網(wǎng)絡(luò)，并采用投影式光固化技術(shù)成功地打印出具了有高韌性、自愈合能力且快速應(yīng)變響應(yīng)的水凝膠結(jié)構(gòu)，最終使用該水凝膠成功定制了可穿戴機(jī)械手，該方法是投影式光固化技術(shù)首次用于制造柔性水凝膠傳感器的成功案例，該水凝膠在柔性可穿戴傳感器中具有巨大的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)
Yuchao Wu,Yong Zeng,Yizhen Chen,Chao Li,Renhui Qiu,Wendi Liu. Photocurable 3D Printing of High Toughness and Self-Healing Hydrogels for Customized Wearable Flexible Sensors. Advanced Functional Materials
https://doi.org/10.1002/adfm.202107202