浙江大学郑强、吴子良团队《Adv. Mater.》：DLP-3D打印高强度水凝胶

来源：高分子科技

数字光处理 (digital light processing, DLP) 3D打印作为一种高效的数字化加工技术，可使材料形成高分辨率的复杂结构。目前，用于DLP打印的材料体系多为固化速度快、模量较高的树脂，以避免因重力引起打印结构的形状变化。近年来一系列高强度水凝胶的开发拓展了凝胶材料在医学和工程领域的应用。但是，其聚合速度较慢、增韧过程复杂，采用DLP-3D打印实现高强度凝胶的数字化成型加工仍存在较大挑战。浙江大学高分子系郑强、吴子良团队与机械工程学院尹俊团队合作，通过光聚合原位形成金属配位键，使水凝胶的强韧化与数字化加工过程相匹配，实现了高强度水凝胶的DLP-3D打印，并将其用于能量吸收、压敏传感等柔性器件。

图1. DLP-3D打印高强度水凝胶。

所采用的材料体系为含有高效光引发剂（V50）和适量Zr4+离子的高浓度丙烯酸水溶液，可在数字化光照射下快速形成高强度超分子聚合物水凝胶（图1）。其中，原位形成的羧酸根-Zr4+金属配位键作为聚丙烯酸的物理交联点，因此该凝胶具有优异的力学性能。较快的反应速度、较高的模量以及较好的抗溶胀能力，使得该体系可以采用“自下而上”DLP打印方法进行数字化成型加工（图2）。

图2. 水凝胶力学、溶胀行为及其3D打印结构。

该水凝胶的力学性能和溶胀能力还取决于光照时间，采用灰度打印可调控打印的凝胶在前驱体溶液中的溶胀行为。不同局部的溶胀差异导致内部应力的产生并驱动打印水凝胶发生可控三维变形（图3）。

图3. 凝胶在前驱体中的性能变化及3D打印梯度结构水凝胶的自发变形。

打印的水凝胶放入水中平衡，pH值的变化导致配位键的调整，从而增加了水凝胶的模量和韧性。因此，该水凝胶具有特殊的形状固定能力。这一现象可用于打印凝胶结构的后续设计与固定。例如，打印的含有剪纸结构的水凝胶可通过外力改变其形状，水中浸泡即可固定该结构（图3）。

图4. 水中平衡导致凝胶性能变化并赋予其形状固定能力。

基于该水凝胶出色的力学性能、形状固定能力，并通过DLP-3D打印控制其结构，可拓展凝胶材料在柔性器件等方面的应用。如图5所示，含有梯度结构的凝胶可用于能量吸收单元，进一步利用其形状固定能力实现对易碎物品的包裹与保护。其次，通过打印含有镂空结构单元的水凝胶，提升了压敏传感器的灵敏度。

图5. 基于3D打印水凝胶的能量吸收元件和压敏传感器。

相关成果以“Digital Light Processing 3D Printing of Tough Supramolecular Hydrogels with Sophisticated Architectures as Impact-Absorption Elements”为题发表于Advanced Materials。

论文信息：Min Dong, Ying Han, Xing Peng Hao, Hai Chao Yu, Jun Yin, Miao Du, Qiang Zheng, Zi Liang Wu, Digital Light Processing 3D Printing of Tough Supramolecular Hydrogels with Sophisticated Architectures as Impact-Absorption Elements, Adv. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adma.202204333

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204333