兰州化物所：3D打印强韧湿滑水凝胶材料与功能器件研究取得系列进展

来源： 中科院兰州化物所

人工合成水凝胶因兼具固体和液体的优异性质，在生物医学、润滑涂层、智能传感、柔性电子、驱动变形等领域受到广泛关注。然而，实现水凝胶材料在机械性能和功能结构化制造之间取得良好平衡仍然是一项艰巨任务。近期，中国科学院兰州化物所固体润滑国家重点实验室3D打印摩擦器件研究团队在3D打印高性能湿滑水凝胶材料与功能器件研究方面取得了系列进展。

该团队在前期直书写3D打印高强韧水凝胶基础上（Biomaterials Science,2019, 7, 1805-1814；Chemistry of Materials,2020,32,9983-9995），近期采用仿生氢键工程策略，引入应变诱导微相分离机制实现了高精度光固化3D打印超强韧水凝胶（Advanced Functional Materials,2022,2210395）（图1）。相关材料与技术已获2件中国发明专利授权（ZL 201810541767.3；ZL 202111591052.7）。

图1. 仿生氢键工程策略构筑的光固化3D打印超强韧水凝胶

研究人员利用自主搭建的灰度光固化3D打印装置（ACS Applied Materials & Interfaces,2019,11,42586-42593），通过在单一水凝胶材料体系中于分子尺度上的交联调控，实现了因溶胀诱导的局部应力差导致的可控变形（Advanced Materials Technologies,2021,7,2101288）（图2）。相关技术已获中国发明专利授权（ZL 201910509477.5）。

图2. 灰度3D打印可控变形水凝胶仿生结构

利用水凝胶优异的水润滑性能和3D打印技术的个性化制造优势，该团队近期发展了水凝胶动脉三尖瓣膜、用于狭窄病变组织器官的水凝胶支架（Chemistry of Materials,2022,34,6129-6141）、湿滑水凝胶仿生软组织器官模型（Advanced Functional Materials, 2022,32,2108845）和润滑载药功能一体化水凝胶隐形眼镜（Small,2023,2206819）等多种功能性的水凝胶器件，为湿滑水凝胶在仿真器官模型、生物医疗器械等应用提供了材料技术（图3）。相关材料与技术已获2件中国发明专利授权（ZL 202110635655.6；ZL 202110635657.5）。

图3. 3D打印湿滑水凝胶生物医疗器械和功能器件

另外，该团队采用高精度3D打印构筑的水凝胶仿章鱼吸盘结构在水下粘附方面表现出优异性能（Chemical Engineering Journal，2023，141268）（图4），结合3D打印导电离子水凝胶良好的应力传感性（Journal of Materials Chemistry C,2022,10,14288-14295），为3D打印水凝胶在仿生驱动、健康监测和柔性机器人等领域的应用提供了一定的材料技术基础。相关材料与技术已获2件中国发明专利授权（ZL 202110635657.5；ZL 202110635655.6）。

图4. 3D打印的水凝胶仿生粘附吸盘及智能抓取器

上述研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院“西部之光”交叉创新团队项目、甘肃省科技计划项目等的支持。