香港中文大学&中国科学技术大学AFM：4D打印微型水凝胶

来源： EngineeringForLife

4D打印技术是指由3D技术打印出来的结构能够在外界激励下发生形状或者结构的改变，直接将材料与结构的变形设计内置到物料当中，简化了从设计理念到实物的制造过程，让物体能自动组装构型,实现了产品设计、制造和装配的一体化融合，在生物医学领域如何快速高效的实现4D打印是一个巨大的挑战。

近期，香港中文大学张立团队和中国科学技术大学吴东团队在“Advanced Functional Materials”杂志上题为“Botanical‐Inspired 4D Printing of Hydrogel at the Microscale”的文章中，使用飞秒激光制作具有纳米级空间分辨率，超低热效应和出色的几何设计性的3D水凝胶样品；利用pH触发响应机制实现水凝胶的膨胀、收缩和扭转，从而形成多个自由度的形状转换。

研究人员使用了在侧链中包含大量羧基的pH响应水凝胶，并研究了该水凝胶的膨胀和收缩特性，通过改变激光加工参数，可以对相对膨胀率进行定量调节（如图一），相对膨胀率可以反映结构的相对变形能力。

图一：飞秒激光打印和pH触发水凝胶的膨胀和收缩特性

首先，研究人员模仿植物叶子的特性结构，设计出各种形状的单层叶片，改变液体环境的pH值时，这些精心设计的叶片结构会发生优美的膨胀和收缩（如图二）。而且，这种变化是可逆的，并且可以通过调整激光加工参数来调节形状变形的程度。

图二：仿生微结构的溶胀和收缩（比例尺：10μm）

接着，研究人员探讨不同扫描方向的排列对样品结构变形的影响。在打印过程中对叶片结构进行不同方向的扫描，样品在溶胀后会表现出朝不同方向的扭转（如图三）。为了进一步增强样品扭转的特性，研究人员提出了变区多重扫描策略来调整应变梯度，即在不同的区域具有不同的扫描方向。这样，可以较为精确地控制每个区域的相对膨胀率，并精确地控制扭转角。

图三：具有不同扫描策略的微叶片结构的扭转现象（比例尺：20μm）

然后，研究人员探讨了叶片宽度比，扫描重复次数和扫描重复时间对扭转的影响。通过采用变区多重扫描策略并调整相应的激光扫描参数，可以获得一些模仿自然结构具有不同扭转方向的精美植物叶片（如图四）。此外，为了提高加工后的微结构的强度，研究人员提出了一种交叉双向扫描策略，该策略也可用于实现微叶片结构的扭转。

图四：扫描参数对微结构的扭转的影响（比例尺：10μm）

最后，研究人员制造了一个微笼。在细胞研究、生物医学和药物递送领域，微粒捕获非常重要，利用处于膨胀和收缩状态的孔的大小差异，可将微笼用于捕获微粒。此外，在微笼上涂覆磁性层后，可以通过磁场以受控方式驱动捕获的微粒进行运输（如图五）。由于激光打印技术具有良好的设计灵活性，因此可以轻松改变孔径大小以捕获特定的颗粒。具有特殊功能性的微笼可以通过按需控制孔径来选择性捕获和释放微对象，水凝胶微尺度4D打印在生物医学设备、药物递送、微操作和单细胞分析等领域具有巨大的应用潜力。

图五：受植物启发的复杂形状转换和微笼（比例尺：10μm。）

论文链接：
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201907377