Nature子刊：正交光化学辅助打印韧性导电水凝胶

来源：EngineeringForLife

TCHs（韧性导电水凝胶）具有优异的电导性和机械性能，该水凝胶中的多网络使其具有较高的机械强度，并能通过不同的耗散机制有效消耗机械能量。但TCHs固有的多网络对比性、导电成分的不可控性和聚合速度慢等特点，导致利用3D打印技术对其进行的制造很具挑战性。近期，来自西北大学的YouYu团队在Nature Communications杂志上发表了题为“Orthogonal photochemistry-assisted printing of 3D tough and stretchable conductive hydrogels”的文章，该研究开发了一种正交光化学辅助打印策略，该策略利用合理的光化学设计和可靠的挤出式打印技术实现了TCHs三维制造。

研究人员首先制备了TCHs，并通过FT-IR（傅里叶变换红外光谱）观测了导电聚合物前体聚合反应的产率，随后对TCHs进行了弹性和粘度的流变学测试。

图1 TCHs的设计构建

为研究各种成分对TCHs的影响，研究人员通过一系列实验证明了PVA-Ph（酪胺改性聚乙烯醇）、EDOT单体、三联吡啶氯化钌六水合物（Ru（II））和过硫酸铵（APS）对于TCHs的正交光化学辅助打印策略是必需的。

图2 不同成分性质对TCHs形成的影响

其次，通过拉伸、压缩和导电性能的一系列测试，研究人员得到了TCHs制备条件对其力学性能、韧性和电导率的影响。

图3 TCHs的力学性能和电导率试验

可控的正交光化学辅助打印策略是一个典型的光化学过程，可与挤出式3D打印技术兼容，通过选择合适尺寸的喷嘴或调整模型打印参数即可实现打印精度的优化。所打印的TCHs网格具有优异的机械性能，可在剥离、拉伸后恢复原态。这表明3D打印的TCHs在高性能柔性传感器和电子产品中具有潜在的应用前景。

图4 挤压式3D打印打TCHs

最后，研究人员使用正交光化学辅助打印策略制造了一个仿生“海参”类传感器，该传感器安装有压力传感器和温度响应型执行器，可用以响应外部压力及检测轻微的运动。经实验发现TCHs在不同温度下，电导率发生明显变化，对环境压力和温度具有很高的响应性。

图5 TCHs组装到柔性设备上的表征

综上所述，正交光化学辅助打印策略易于兼容挤出式3D打印技术，可用于在任意基板上制造复杂的结构，所打印的水凝胶结构具有良好的导电性、韧性和抗冻性。正交光化学辅助打印策略为硬质材料的研究开辟了新的途径，并简化了高精度复杂水凝胶结构的设计。正交光化学辅助打印方法和合成的TCHs在生物和材料科学中具有巨大的应用潜力。