福建农林大学刘文地、邱仁辉：利用高韧性水凝胶3D打印定制可穿戴柔性传感器

来源： EFL生物3D打印与生物制造

随着3D打印技术的发展，如何高效制造高精度、定制化水凝胶结构备受关注。然而，目前大多数水凝胶只能通过挤出式打印技术进行三维制造，这使水凝胶的打印效率和精度受到了限制。另一方面，在光固化打印过程中，水凝胶中固有的水分会降低单体聚合速度，导致已固化的水凝胶无法实现快速的固液分离，从而增加了光固化制造水凝胶三维结构的难度。

近期，来自福建农林大学的刘文地、邱仁辉合作提出了一种利用投影式光固化技术快速打印高精度水凝胶的策略，该研究通过设计一种基于非共价相互作用的互穿网络水凝胶来形成物理交联，从而为打印过程提供快速的固液分离。相关论文“Photocurable 3D Printing of High Toughness and Self-Healing Hydrogels for Customized Wearable Flexible Sensors”发表在“Advanced Functional Materials”杂志上。

首先，研究人员将聚（丙烯酸（AA）-N-乙烯基-2-吡咯烷酮（NVP））和羧甲基纤维素（CMC）通过氢键和金属配位键等非共价键作用力实现物理交联（图1），从而实现打印过程中的快速固液分离。

图1 光固化3D打印水凝胶策略

其次，研究人员探究了CMC和NVP-AA的重量比和含水量的不同对水凝胶机械性能的影响（图2），发现CMC与NVP-AA重量比为0.8 %时水凝胶拉伸韧性最高，凝胶含水量为40 wt%时分离度和拉伸韧性最优。

图2 互渗透网络水凝胶的机理与性能

研究人员通过投影式光固化技术构建了一些具有较高分辨率、形状可设计且能够保持高拉伸韧性、自修复能力的样品（图3），进一步证明水凝胶的性能，从而确认了墨水的最佳设计配方。

图3 水凝胶打印样品

接着，研究人员评估了拉伸应变为10%、20%和40%情况下水凝胶的传感性能（图4），在相同应变下观察到其电阻响应具有很高的再现性，并且随着拉伸应变的增加，电阻响应的幅度也逐渐增加。通过循环拉伸应变测试观察到水凝胶电阻响应几乎保持不变，证明了水凝胶传感器具有良好的稳定性和可重复响应性。

图4 水凝胶传感器的拉伸应变测试

最后，研究人员利用投影式光固化技术对该水凝胶进行了打印制造，构建了可适应复杂人体结构的柔性传感器（图5），并定制了具有不同电阻响应的柔性传感器部件以用于组装更复杂的穿戴设备（图6），实验结果证明了3D打印技术的用于可穿戴设备的可设计性。

图5 3D打印可穿戴的柔性传感器

图6 打印并组装的可穿戴柔性传感器

综上所述，该文章利用物理交联取代共价键和互穿网络，并采用投影式光固化技术成功地打印出具了有高韧性、自愈合能力且快速应变响应的水凝胶结构，最终使用该水凝胶成功定制了可穿戴机械手，该方法是投影式光固化技术首次用于制造柔性水凝胶传感器的成功案例，该水凝胶在柔性可穿戴传感器中具有巨大的应用潜力。

参考文献
Yuchao Wu,Yong Zeng,Yizhen Chen,Chao Li,Renhui Qiu,Wendi Liu. Photocurable 3D Printing of High Toughness and Self-Healing Hydrogels for Customized Wearable Flexible Sensors. Advanced Functional Materials
https://doi.org/10.1002/adfm.202107202