近年來，基于水凝膠/彈性體的親疏水結(jié)構(gòu)取得明顯進(jìn)展，在柔性電子、軟體機(jī)器人、摩擦發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，但其構(gòu)造仍較為簡(jiǎn)單，無法媲美天然結(jié)構(gòu)。作為快速成型技術(shù)，3D打印可用于復(fù)雜軟結(jié)構(gòu)的制備。然而，現(xiàn)有的親疏水結(jié)構(gòu)在打印過程中的界面粘接性能極差。

      針對(duì)此問題，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院軟機(jī)器實(shí)驗(yàn)室教師唐敬達(dá)與美國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)工程院院士、哈佛大學(xué)教授鎖志剛合作提出了一種軟結(jié)構(gòu)3D打印的強(qiáng)韌粘接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有超強(qiáng)界面粘接的水凝膠/彈性體親疏水異質(zhì)結(jié)構(gòu)的打印。相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表于《先進(jìn)功能材料(Advanced Functional Materials)》期刊。

在3D打印過程中實(shí)現(xiàn)水凝膠與彈性體的強(qiáng)韌粘接

水凝膠/彈性體復(fù)合物粘接困難

      軟材料在生物醫(yī)用、電子皮膚、柔性機(jī)器人等現(xiàn)代科技領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，因此軟材料被廣泛關(guān)注。水凝膠作為軟材料的一種，由水分子和聚合物網(wǎng)絡(luò)組成，是以水為分散介質(zhì)的凝膠。具有高含水量、化學(xué)生物分子透過性、生物相容性以及可生物降解性等優(yōu)點(diǎn)。該親水材料對(duì)人體組織無刺激，因此在日常生活中得到廣泛應(yīng)用，如果凍（明膠）、嬰兒尿不濕、隱形眼鏡等。

        唐敬達(dá)表示，第一代水凝膠是軟而脆的材料，因此其力學(xué)性質(zhì)并沒有得到廣泛關(guān)注。近二十年來，國(guó)際上針對(duì)改進(jìn)水凝膠力學(xué)性能開展了大量工作，形成了研究熱點(diǎn)，相繼開發(fā)出了納米復(fù)合水凝膠、雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠和韌性水凝膠等高強(qiáng)度、高韌性水凝膠，這些高強(qiáng)水凝膠可以承受大的變形。如鎖志剛2012年在《自然》報(bào)道的一種韌性水凝膠——聚丙烯酰胺-海藻酸鈉水凝膠。

圖片：復(fù)合打印原理，來源：中國(guó)聚合物網(wǎng)。

      彈性體泛指在除去外力后能恢復(fù)原狀的材料，目前彈性體更擴(kuò)展為具有彈性的聚合物的總稱。彈性體具有優(yōu)異的機(jī)械性能，并且在各種環(huán)境下表現(xiàn)出穩(wěn)定的性質(zhì)。作為疏水性材料，彈性體通常配合多種材料形成親疏水復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用。水凝膠與彈性體具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)一種同時(shí)具有水凝膠與彈性體優(yōu)勢(shì)的復(fù)合材料將極大的拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，一系列的水凝膠/彈性體復(fù)合物通過界面結(jié)合的方式連接在一起，但存在界面結(jié)合力弱，質(zhì)地不均一等缺點(diǎn)。通過簡(jiǎn)單的制備方法得到一種均質(zhì)的水凝膠/彈性體復(fù)合材料仍然是一大挑戰(zhàn)。

本體改性策略

       唐敬達(dá)表示，實(shí)現(xiàn)水凝膠和彈性體兩種材料的超強(qiáng)粘接，需要滿足兩個(gè)條件：一是兩者之間以共價(jià)鍵連接；二是水凝膠材料足夠堅(jiān)韌。這樣水凝膠/彈性體復(fù)合結(jié)構(gòu)才能達(dá)到較高的粘接能，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)有力的粘接。《中國(guó)科學(xué)報(bào)》曾就水凝膠和彈性體之間的粘接問題采訪過湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院副教授毛貽齊，他表示曾嘗試用物理方法進(jìn)行水凝膠和彈性體之間的粘接。用彈性體包裹水凝膠，通過水驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)二者的粘接。但此方法形成的粘接體很容易脫離，效果不好。

圖片：對(duì)有粘接、無粘接復(fù)合3D打印柵格結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，來源：中國(guó)聚合物網(wǎng)。

        據(jù)介紹，此前美國(guó)麻省理工大學(xué)教授趙選賀課題組率先通過表面處理的方式，實(shí)現(xiàn)了水凝膠/彈性體以共價(jià)鍵形式粘接，但表面處理的方式不宜用于3D打印技術(shù)。唐敬達(dá)等人分別制備了水凝膠和彈性體預(yù)聚體，采用本體處理方式，將聯(lián)接引發(fā)劑溶于彈性體材料中。然后分別調(diào)節(jié)彈性體預(yù)聚液和水凝膠預(yù)聚液的粘度，將兩者以任意順序3D打印在一起，紫外引發(fā)聚合反應(yīng)，使水凝膠和彈性體材料在打印過程中實(shí)現(xiàn)粘接，形成具有強(qiáng)韌粘接的水凝膠/彈性體復(fù)合體。

該方法不同于常規(guī)的表面改性，采用本體改性的策略，打印試樣的粘接能可達(dá)5000J/m2以上。

       為測(cè)試粘接效果，研究人員分別打印了有粘接、無粘接復(fù)合柵格結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行壓縮。有粘接的試樣經(jīng)受巨大壓縮仍不破壞，而未采取粘接策略的試樣完全不能承載。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，使用普通凝膠打印則會(huì)發(fā)生拉伸斷裂和溶脹斷裂。由此可見，形成穩(wěn)定的親疏水結(jié)構(gòu)既需要良好的粘接，也需要強(qiáng)韌的基體材料。由于水含量較高，水凝膠與其他軟物質(zhì)的粘接效果不是很好。根據(jù)毛貽齊，該研究利用引發(fā)劑，以共價(jià)鍵的形式將水凝膠和彈性體粘接，固化了二者之間的粘接，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)韌的粘接效果，是一項(xiàng)有意思的創(chuàng)新技術(shù)。

應(yīng)用于醫(yī)療、電子等領(lǐng)域

唐敬達(dá)表示，軟材料3D打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用尤其廣泛，可打印出心臟、血管等醫(yī)療模型，用于醫(yī)療教學(xué)以及訓(xùn)練。

圖片：研究團(tuán)隊(duì)打印的離子導(dǎo)線可承受拉伸、扭轉(zhuǎn)和錘擊，即使在劇烈的錘擊下仍能傳導(dǎo)音樂信號(hào)，來源：中國(guó)聚合物網(wǎng)。

      毛貽齊認(rèn)為，親疏水材料的結(jié)合為軟結(jié)構(gòu)的3D打印提供了一種通用的解決方案，該粘接技術(shù)適用于多種水凝膠和彈性體的強(qiáng)韌粘接打印，可以發(fā)散性地應(yīng)用到很多領(lǐng)域。如可拉伸器件、功能器件的驅(qū)動(dòng)制備等。唐敬達(dá)還表示，該軟材料3D打印強(qiáng)韌粘接技術(shù)不局限應(yīng)用于水凝膠/彈性體的粘接，或許還可以拓展到形狀記憶聚合物與水凝膠的粘接。利用形狀記憶聚合物這種智能材料，可以通過3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)4D打印。基于此，研究人員利用該粘接技術(shù)，進(jìn)一步打印了花朵、蝴蝶、章魚形狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了具有溶脹響應(yīng)的4D打印。

以上內(nèi)容來源：中國(guó)日?qǐng)?bào)網(wǎng)、中國(guó)科學(xué)網(wǎng)

 Review

       水凝膠材料是一種親水聚合物，其中含有大量水分。水凝膠更多應(yīng)用在需要承受大的變形的環(huán)境中。制造水凝膠產(chǎn)品的常用技術(shù)為模塑和鑄造，然而這些技術(shù)難以制造具有復(fù)雜幾何形狀的水凝膠產(chǎn)品。3D打印可用于復(fù)雜軟結(jié)構(gòu)的制備，開發(fā)適合3D打印工藝的水凝膠材料是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)（SUTD）也針對(duì)3D打印水凝膠材料進(jìn)行了研究，其研究也涉及到了水凝膠材料與彈性體材料的結(jié)合。

      研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種適合用基于UV 光固化工藝的DLP 3D打印技術(shù)進(jìn)行制造的水凝膠材料。自行開發(fā)的高效水溶性TPO納米顆粒作為光引發(fā)劑與基于丙烯酰胺-PEGDA（AP）的水凝膠前體混合來制備水凝膠溶液。 TPO納米粒子使AP水凝膠可UV固化，可作為DLP 3D打印技術(shù)的打印材料，制造具有高分辨率和高保真度（高達(dá)7μm）的復(fù)雜水凝膠3D結(jié)構(gòu)，例如制造醫(yī)療產(chǎn)品和柔性電子器件。

      這款水凝膠材料還由一個(gè)顯著的特點(diǎn)為良好的可拉伸性，研究團(tuán)隊(duì)表示，3D打印水凝膠樣品可以拉伸超過1300％。這種水凝膠材料可以與商業(yè)3D打印彈性體形成強(qiáng)大的界面粘合，直接用于水凝膠 – 彈性體混合結(jié)構(gòu)的3D打印。該技術(shù)的應(yīng)用方向包括制造柔性電子板，其上印有彈性體基質(zhì)的導(dǎo)電水凝膠電路。

(責(zé)任編輯：admin)

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