Science子刊：水凝胶-聚合物杂化材料的投影式光固化多材料打印

来源：EngineeringForLife

水凝胶-聚合物杂化材料已广泛应用于生物医学设备和柔性电子器件等领域。然而，目前能与水凝胶牢固结合的聚合物大多数为硅橡胶，且水凝胶-聚合物杂化材料的几何形状制造大多局限于简单的层叠结构，因此，迫切需要一种设计自由度高、材料选择丰富的水凝胶-聚合物杂化结构的有效制造方法。

近期，来自南方科技大学的葛锜团队、浙江大学的曲绍兴团队、西北工业大学的张彪团队联合在“Science Advances”上发表了一篇名为“3D printing of highly stretchable hydrogel with diverse UV curable polymers”的文章，在该研究中相关人员研发了一种简单而通用的基于投影式光固化的多材料3D打印方法来制造复杂的杂化材料3D结构，并利用该方法进行了相关应用的制造。该方法实现了水凝胶与其它聚合物的三维粘结，为多功能柔性电子器件和相关设备的制造开拓了一条新途径。

首先，研究人员在自制的投影式光固化多材料3D打印机上打印水凝胶-聚合物多相结构（图1）。该设备采用光源下置式的投影方式，并在打印成形平台和UV投影仪之间安装有一个聚四氟乙烯涂层玻璃板充当打印机料槽的作用，其可提供两到三个料槽位以供选择，通过水平移动的方式进行打印材料的转换，并采用空气喷射的方法去除打印件上的残留打印材料。

图1 光固化投影3D打印多材料水凝胶与其他聚合物

随后，研究人员进一步研究了打印过程中PEGDA（AP）水凝胶与其他（甲基）丙烯酸酯基UV固化聚合物的结合机理，并展示了多材料3D打印工艺以及水凝胶和（甲基）丙烯酸酯聚合物之间的界面结合机制。

图2 打印材料与粘合机理

其次，为了验证和解释水凝胶与(甲基)丙烯酸酯聚合物界面结合的机理，研究人员用傅立叶变换红外光谱研究了水凝胶聚合的转化率，并对其粘接性能进行了比较。

图3 聚合转化率和粘接性能的比较

接下来，研究人员打印了由刚性聚合物增强水凝胶复合材料构成的马蹄形结构（图4），并展示了水凝胶和刚性聚合物之间的牢固粘合使得复合材料能够在不脱粘的情况下发生巨大变形。

图4 三维打印刚性聚合物增强水凝胶复合材料

进一步地，研究人员使用SMP材料结合水凝胶进行了心血管支架的4D打印（图5），并使心血管SMP支架具有药物释放功能。

图5 具有药物释放功能的SMP打印支架

最后研究人员打印了一个柔性气动执行器(SPA)，并进一步利用有限元分析模拟SPA的弯曲，从而得到弯曲角度与传感器放置位置之间的应变关系。

图6 利用光固化投影打印的带有水凝胶应变传感器的柔性气动执行器

总的来说，该文中研究人员研发了一种简单而通用的基于投影式光固化的多材料3D打印方法，该方法制造的水凝胶-聚合物杂化材料3D结构由高度可拉伸的水凝胶与各种不同的UV固化聚合物共价结合而成，同时该研究展示了这种多材料3D打印方法的多种应用场景。展望未来，该方法通过将水凝胶与其他UV聚合物以三维粘合的形式结合在一起，为制造具有极大扩展功能和性能的柔性设备及器件提供了一条有效的途径。