多材料3D打印结构粘接问题解决

供稿人:张曼玉 田小永

亲疏水复合结构在自然界中广泛存在，如植物表层、细胞膜、神经轴突等。例如细胞质和细胞外基质是亲水性和导电性，而髓鞘是疏水性和绝缘的，亲水性和疏水性物质的结合能够使有髓轴突作为电信号的传输线。近年来，这种生物结构激发了合成亲水/疏水结构的发展，其中基于水凝胶/弹性体的人造亲疏水软结构取得了明显进展，然而其构造仍较为简单，无法媲美天然结构。作为快速成型技术，3D打印可用于复杂软结构的制备，不过面临着一大挑战：多材料打印结构的界面粘接性能极差。这是由于水凝胶中含有大量的水，水分子使得水凝胶传递很小的力，所以水凝胶与任何材料的粘接力都很小甚至跟相同的水凝胶。

近日，西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室、航天航空学院软机器实验室研究人员与美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授合作提出一种软结构3D打印的强韧粘接技术，实现了具有超强界面粘接的水凝胶/弹性体亲疏水异质结构的打印。

图1一种打印水凝胶和弹性体结构的粘接方法a)在打印过程中，两种墨水按任意顺序挤出在重力和毛细作用下保持形状b)在固化过程中，每个网络内部形成共价键交联，两个网络之间形成共价键交联。

图2打印结构的机械性能a)具有共价键的水凝胶弹性体晶格在压缩作用下恢复原状b）没有共价键得水凝胶和弹性体压缩后失稳无法恢复原状c）具有共价键的弹性体和水凝胶蜂窝结构受到弯曲时仍能保持粘接

该课题组将联接引发剂溶于弹性体材料中，分别调节弹性体预聚液和水凝胶预聚液的粘度，将两者以任意顺序打印在一起，然后引发聚合反应，形成具有强韧粘接的水凝胶/弹性体复合体。该课题组通过测试打印出的结构机械性能来确定结构质量。在交联引发剂作用下，水凝胶弹性体晶格结构在压缩作用下不发生脱粘，恢复初始形状。而没有交联引发剂水凝胶弹性体晶格在压缩作用下发生粘接，无法恢复初始形状。该课题组还打印了相互连接的水凝胶和弹性体蜂窝结构在压缩下，蜂窝结构会弯曲但仍能保持附着。不同于常规的表面改性，采用本体改性的策略，打印试样的粘接能可达5000J/m2以上。

该方法适用于多种水凝胶和弹性体，适用于光引发和热引发策略，适用于其他的制备过程，为软结构的3D打印提供了一种通用的解决方案，在可拉伸器件、软机器等领域具有良好的应用前景。

参考文献：
Hang Yang, Chenghai Li,et al. Printing Hydrogels and Elastomers in Arbitrary Sequence with Strong Adhesion[J]. Advanced Functional Materials,2019,3,20191721.

供稿人:张曼玉 田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室