中科院、西北民族大学《AM》 | 二甲基亚砜介导的高保真水凝胶3D打印

来源：GK绿钥生物科技

中国科学院兰州化学物理研究所王晓龙研究员团队联合西北民族大学化学工程学院孙初锋团队在《Additive Manufacturing》期刊发表文章“Dimethyl sulfoxide mediated high-fidelity 3D printing of hydrogels”，由于灵活的结构设计和快速原型制造，具有固体和流体特性的3D打印水凝胶已成为生物医学工程，软机器人和柔性电子产品的有前途的候选者。然而，现有的水凝胶3D打印技术由于水蒸发引起的形状变形和坍塌，严重限制了水凝胶复合结构的高保真度。为了解决以上问题，本文提出了一种混合溶剂打印策略，然后进行水透析，通过抑制水蒸发来实现高保真水凝胶结构的还原光聚合3D打印。具体而言，将二甲基亚砜(DMSO)作为助溶剂引入水凝胶油墨中，以提高3D打印过程中的抗脱水性能。然后通过溶剂交换和水透析将制备的凝胶转化为保真度高、性能优良的水凝胶。在这些特性的支持下，各种具有复杂结构的功能器件通过目前各种水凝胶的高保真3D打印进行了演示。溶剂辅助高保真水凝胶3D打印方案结合了对各种高性能水凝胶的兼容性，被认为是可穿戴设备，伤口敷料，电子皮肤和智能机器人的前景广阔。

WHAT—DMSO在3D打印水凝胶中的主要作用是什么？

1、提高抗脱水性能：DMSO作为共溶剂的引入显著改善了水凝胶在3D打印过程中的抗脱水能力，从而减少了水分蒸发导致的收缩和变形。

2、优化溶剂比例：通过调节DMSO与水的比例，可以实现优异的抗干燥性能，确保水凝胶在打印过程中的高保真度和精确度。

3、保持结构稳定性：在打印过程中，DMSO的加入使得水凝胶在室温下能够在经过5小时后仍保持其形状，避免了打印结构的变形。

4、改善物理性能：DMSO的存在有助于形成高保真度的水凝胶，并赋予其良好的机械性能，这对于制作复杂结构和多功能设备至关重要。

WHY—为什么需要对打印后的水凝胶进行金属盐溶液交换和透析处理?

1、去除DMSO：在3D打印过程中，DMSO作为共溶剂的引入可以改善水凝胶的抗脱水性能，但打印完成后，需要通过金属盐溶液交换和透析去除DMSO，以防止其对水凝胶性能的负面影响。

2、改善机械性能：金属盐的引入能够通过提高水凝胶的结构稳定性和增强其机械性能，特别是通过调节Zr4+的羧酸盐配位程度，从而有效改善水凝胶的强度和韧性。

3、降低收缩和变形：在打印过程中，水分蒸发会导致水凝胶的尺寸收缩和结构变形。通过透析处理，可以在去除多余的有机溶剂的同时，保持水凝胶的水分含量，从而减小收缩和变形的风险，提高打印的精确度和成品的稳定性。

4、调节局部pH：透析过程中，水凝胶的局部pH会从酸性调节至中性，这一变化有助于提高水凝胶的整体性能，使其在应用中表现更为优越。

HOW—开发一种通过溶剂调节和水透析实现高保真度光聚合3D打印水凝胶。

本文通过利用二甲基亚砜（DMSO）和水之间的液体平衡来控制有机溶液与水溶液比例，从而开发出一种提高3D打印水凝胶打印精度的新策略（图1）。DMSO与水的氢键作用减少了水的蒸发，从而抑制了水凝胶在光聚合3D打印过程中水分流失导致的收缩和结构变形。通过将二元DMSO-H2O溶剂引入到光聚合凝胶墨水中，并利用锆离子（Zr4+）的金属配位作用增强水凝胶的机械性能，最终获得了一种具有优异机械性能和尺寸稳定性的高保真水凝胶。

图1 高保真还原光聚合3D打印水凝胶的设计与构建

影响还原光聚合3D打印水凝胶保真度的两个主要因素：短时间内制造的结构精度（几乎不受水分蒸发影响）和长时间制造的结构精度（受水分蒸发导致的结构变形影响）。研究表明，利用DMSO和水的二元溶剂系统可以减少水分蒸发，从而提高打印保真度。实验结果表明，含有30%和50%DMSO的凝胶在打印过程中表现出较好的保真度，尽管较小尺寸的结构由于表面张力和光聚合特性仍会有一定的收缩。总体而言，DMSO衍生的凝胶在3D打印过程中展现出了优异的保真度（图2）。

图2 还原光聚合3D打印凝胶的保真度

为了研究凝胶的抗脱水机理，系统地考察了不同溶剂配比下打印凝胶的溶剂蒸发行为（图3）。研究发现，随着DMSO含量的增加，抗脱水性能显著改善。尤其是在空气中暴露48小时后，含有较高比例DMSO的凝胶表现出较低的蒸发率，从而确保3D打印过程中结构的高保真度和精度。此外，流变测试表明DMSO的加入不仅提高了凝胶的抗脱水性能，还提升了其机械性能和温度响应性能。

图3 还原光聚合3D打印凝胶的抗脱水性能

为了观察3D打印过程中水凝胶因水分蒸发导致的形状变化，设计并制造了一个圆锥阵列结构（图4）。研究发现，使用纯水溶剂的水凝胶在暴露1小时后开始变形，5小时后发生显著收缩，导致严重的结构变形。而含有DMSO的水凝胶在暴露5小时后能够保持其形状，表明DMSO的加入改善了水凝胶的抗脱水性能，但过高的DMSO浓度可能会影响水凝胶的制造性能。最终确定了DMSO:H2O=3:7的溶剂比例在3D打印中具有最佳的制造性能、出色的抗脱水性能和高保真度。

图4 圆锥阵列结构暴露在空气中不同时间的照片

通过将凝胶浸泡在金属离子溶液中并进行去离子水透析，成功转化为具有高含水量的水凝胶。不同溶剂比例的水凝胶含水量超过70%，这种高含水量的水凝胶在生物医学和深海智能设备中具有广泛的应用前景。通过金属离子配位和水透析过程，大大增强了水凝胶的机械性能。实验表明，单纯化学交联网络的凝胶机械性能较差，但通过金属离子配位策略改善了这些性能，得到了一种新的R-水凝胶，其抗拉强度和杨氏模量显著提高。这归因于R-水凝胶通过金属离子配位形成了物理化学双重交联网络（图5）。

图5 凝胶和R-水凝胶的结构表征和力学性能。

通过控制溶剂交换和水溶液平衡，实现了从凝胶到水凝胶的转变，最终构建的水凝胶模型在复杂结构的设计和制造中表现出卓越的尺寸精度和保真度。此外，通过溶剂替代和去离子水透析制备的R-水凝胶在水中30天内的尺寸变化可忽略不计，展现了极高的稳定性（图6）。

图6 还原光聚合3D打印水凝胶的高保真结构构造演示

水凝胶的优异的保真度为设计和制造复杂的水凝胶设备提供了新可能，尤其在医学工程领域有着广泛应用前景。通过细胞毒性测试证实了水凝胶在人体生理环境中的潜在应用价值，表现出良好的生物相容性。控制不同金属离子和单体类型，可以制造出具有优良尺寸精度和保真度的水凝胶结构，为水凝胶在生物医学、组织工程、软体机器人和仿生粘附装置等领域的应用开辟了新的可能性（图7）。

图7 还原光聚合3D打印水凝胶的高保真结构构造演示

结论：本文开发了一种通过溶剂调节和水透析实现高保真度光聚合3D打印水凝胶的新策略。利用DMSO的强氢键作用，凝胶在3D打印过程中展现出优异的抗干燥和抗冻性能，并转化为具有良好保真度和机械性能的水凝胶。此外，通过调整离子配位和水透析时间，可以调节水凝胶的机械性能，为定制化功能设备的制备提供了支持。这一策略适用于多种水凝胶系统，拓宽了其在生物医学、水下机器人、柔性皮肤等领域的应用前景。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104346