电极集成 4D 打印赋能水凝胶形状变形:仿生致动器的关键突破

3D打印动态
2025
07/29
11:17
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来源:EFL生物3D打印与生物制造

当前,刺激响应水凝胶因固有各向同性体积变化,在软致动器应用中面临功能局限,传统双层结构、电泳沉积及光掩模等方法存在非必要驱动和分辨率不足等问题。吉林大学周雪莉教授与王振国教授团队提出电极集成4D打印策略,通过全局钝化和局部激活机制,在热响应水凝胶中实现空间可编程驱动。团队将卡波姆微凝胶引入聚(N-异丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺)基质,抑制全局热响应,结合图案化电极释放金属离子(如Cu²⁺)激活目标区域下临界溶液温度效应,实现高分辨率各向异性变形。该方法制备的水凝胶致动器可模拟植物卷须弯曲、水母推进等生物行为,还能用于热响应阀门和仿生软机器人。相关工作以“Electrode-integrated 4D printing enables hydrogel shape morphing: A critical breakthrough for bio-inspired actuators”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。

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研究要点
1. 电极集成4D打印策略:通过全局钝化和局部激活,实现热响应水凝胶空间可编程驱动。
2. 材料体系设计:卡波姆微凝胶与P(NIPAM-co-AAM)基质结合,抑制全局热响应。
3. 局部激活机制:电极释放金属离子(如Cu²⁺),激活目标区域LCST效应,实现 anisotropic变形。
4. 电极参数影响:宽度、电压等参数调控变形,3mm宽度、10V电压为优化条件。
5. 生物启发致动器:模拟植物卷须、水母等运动,实现2D到3D形状转换。
6. 实际应用案例:制备热响应阀门、仿生软机器人,验证在流体控制和移动场景应用。
文章来源:
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165268




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