来源： 高分子科技
生物系统展示了丰富的原型，它们可以结合互补的性能，并在单一单元中提供多种功能。例如，蜘蛛在刚性的径向结构丝上编织具有粘性、延展性以及半透明的横丝 (也被称作捕丝)，这些特性使得它们可以协同完成感知猎物、捕获猎物以及承受猎物冲击的任务。这些集成的性能促进了导电软材料的发展，借助新型的3D打印技术可以将其塑造成复杂的结构，使其可以模仿生物系统的协同功能以及精细的结构。尽管多材料3D打印技术的发展可以实现对复杂生物体系的模仿，然而在一种墨水体系的设计中直接实现互补的性能在很大程度上未被探索。
武培怡教授课题组近年来基于含氟聚合物发展了系列具有优异性能的离子凝胶或弹性体体系，例如制备疏水性的含氟离子凝胶并将其应用范围拓展到水下环境中，实现了水下传感、水下强粘附、水下生理信号检测等 (Adv. Mater. 2021, 2008479; Mater. Horiz. 2021,8, 2057; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2107226.)；此外还筛选出可自发相分离的粘滞性含氟共聚物体系以实现对人体脂肪组织的仿生构筑(Adv. Mater. 2023, 35, 2209581.)
在此基础上，武培怡教授团队进一步发展了一种具有自增稠与自调节性能的含氟离子凝胶墨水体系，以实现离子凝胶的可打印性与可调的性能。所设计的是一种由聚离子液体(PIL)、离子液体单体(ILM)以及自由离子液体(FIL)构成的三组分打印墨水，三个组分具有相同的阴离子[TFSI]-，阳离子均为季铵盐阳离子，确保了组分间优异的相容性。其中PIL作为聚合物流变改性剂，ILM以及FIL作为溶剂，组分间动态交联的特性使得墨水具有自增稠与自调节的性质。自增强指的是在打印沉积后使用紫外进行光照，引发ILM的聚合，它从溶剂转变为自增强的网络，进一步调整了离子凝胶的力学性能，此时分散介质只剩下FIL(图1)。因此，基于相同的组分、但不同比例的墨水配方，所打印的离子凝胶表现出独特而互补的特性。例如，它们的杨氏模量可以相差三个数量级(521.3 kPa 到 148.7MPa)，一些结构是刚性的，而另一些是具有延展性和粘性的(图2)。
图1. 自增强与自调节墨水的设计示意图以及打印过程示意图
图2. 对相同组分、不同比例的打印结构的性能表征
借助适当的理论模型可以实现对打印分辨率的预测，同时可以指导打印参数的选择 (图3)。
图3. 对墨水的流变性能以及打印参数和打印分辨率的研究
不同的墨水配方带来截然不同但又互补的性能，作者打印了一个具有代表性的仿生蜘蛛网体系以集成互补的性能，它可以模仿了天然蜘蛛网的复杂结构（如在刚性的径向结构丝上编织具有粘性、延展性以及半透明的横丝）和多种功能（如捕捉、感知和耗散能量）。得益于含氟聚合物的优异疏水特性，这一人造蜘蛛网成功实现了水陆两用，特别是可以同步实现感知与捕获。
图4. 3D打印出的人造蜘蛛网在空气中的应用
图5. 3D打印出的人造蜘蛛网在水下实现同步感知与捕获
上述研究成果以“3D Printing of Ionogels with Complementary Functionalities Enabled by Self-Regulating Ink”为题在线发表于期刊《Advanced Science》上。复旦大学黄佳惠博士为论文第一作者，武培怡教授为论文通讯作者。感谢国家自然科学基金委(51973035和52161135102)对该工作的资助。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202302891
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