AFM 浙大錢勁、吳子良、尹俊：利用溶脹失配打印仿生變形水凝膠結構
時間：2021-11-16 16:25 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
自然界中許多植物器官具有對力，光和水分等外部刺激作出反應的變形能力。受到這些自然系統的啟發，科學家們開發了各種具有可編程變形的仿生水凝膠，這些水凝膠在軟致動器，藥物輸送，智能設備和組織工程中具有廣闊的應用前景等�？删幊套冃蔚囊话悴呗允菢嫿ň哂胁煌憫慕M件梯度，建立內部應力并驅動水凝膠的形狀變化。一種廣泛使用的方法是雙層水凝膠，即頂層和底層是成分和響應不同的凝膠，當一層的膨脹/收縮大于另一層時，它在外界刺激下表現出彎曲變形。通過整合具有特定雙層結構的多個單元，復合水凝膠可以變形為復雜的構型。
近期，來自浙江大學的錢勁、吳子良、尹俊教授團隊在advanced functional materials發表了題為“Solvent-Cast-Assisted Printing of Biomimetic Morphing Hydrogel Structures with Solvent Evaporation-Induced Swelling Mismatch”的文章。報道了一種基于溶劑澆鑄輔助打印的制備變形水凝膠結構的簡便方法，利用溶劑蒸發導致的膨脹失配，通過控制打印圖案可以獲得不同的變形水凝膠結構。膨脹后，這些水凝膠結構顯示出可控的變形。
研究人員將聚(丙烯酸硬脂酯-共聚丙烯酸) （P(SA-coAAc)）乙醇溶液直接擠出打印在底板上，通過溶劑揮發使其逐漸固化。在溶劑交換的水中膨脹后，打印的纖維形成堅韌的水凝膠，因為SA單元的長烷基鏈形成疏水結構域，并作為凝膠基質的物理交聯。在溶脹過程前，凝膠的力學行為和溶脹行為可以通過乙醇溶液的聚合物濃度和蒸發時間進行嚴格的調節。后打印的纖維通常具有較大的膨脹率，但力學性能相對較差。通過控制印花圖案和上層和底層纖維之間的膨脹不匹配可以開發出各種變形的水凝膠結構，這些結構變形成復雜的仿生結構。
為了評價P(SA-co-AAC)溶液的打印性能，研究者測試了不同噴嘴直徑和聚合物濃度。結果顯示當聚合物濃度在30~45wt%之間，噴嘴直徑在60~330μm范圍內時，溶液可以打印成三維結構。當濃度低于30wt%或高于45wt%時，溶液太稀或太粘，不能打印。用濃度為35wt%、噴嘴直徑為110μm的溶劑構建了各種2D圖案和3D結構。單絲的俯視顯微照片和兩層網格結構的共聚焦熒光圖像表明，打印的構件與直徑約為200μm的凝膠纖維具有良好的形狀保真度。3D打印結構也可以通過這種溶劑鑄造打印來開發。
研究人員制造了具有多層結構的水凝膠結構來演示程序化變形。將濃度為35wt%的墨水打印成具有正交排列的細絲的網格，蒸發60min，作為鈍化層。隨后，以相對于底部柵格的長軸的斜角θ在柵格頂部打印平行細絲。在對打印結構進行溶脹后，后打印的纖維具有較高的膨脹率，并且作為凝膠結構的活性層。正如預期的那樣，凝膠結構沿著后打印的凝膠纖維彎曲。不同斜角打印出的結構具有不同的變形結果。
復雜的變形和最終配置可以通過設計打印結構來編程，研究者展示了蝸牛殼，貝殼，荷葉，春草和花朵的仿生結構。這種打印技術是設計一系列可溶于低沸點溶劑而無需化學交聯的堅韌水凝膠和彈性體(如梳狀/瓶刷聚合物水凝膠、殼聚糖水凝膠和嵌段共聚物)的有用策略，為使用這些變形凝膠結構的生物醫療設備和軟機器人的開發創造了機會。
近期，來自浙江大學的錢勁、吳子良、尹俊教授團隊在advanced functional materials發表了題為“Solvent-Cast-Assisted Printing of Biomimetic Morphing Hydrogel Structures with Solvent Evaporation-Induced Swelling Mismatch”的文章。報道了一種基于溶劑澆鑄輔助打印的制備變形水凝膠結構的簡便方法，利用溶劑蒸發導致的膨脹失配，通過控制打印圖案可以獲得不同的變形水凝膠結構。膨脹后，這些水凝膠結構顯示出可控的變形。
圖1 P(SA-co-AAc)乙醇溶液的溶劑澆鑄打印示意圖
研究人員將聚(丙烯酸硬脂酯-共聚丙烯酸) （P(SA-coAAc)）乙醇溶液直接擠出打印在底板上，通過溶劑揮發使其逐漸固化。在溶劑交換的水中膨脹后，打印的纖維形成堅韌的水凝膠，因為SA單元的長烷基鏈形成疏水結構域，并作為凝膠基質的物理交聯。在溶脹過程前，凝膠的力學行為和溶脹行為可以通過乙醇溶液的聚合物濃度和蒸發時間進行嚴格的調節。后打印的纖維通常具有較大的膨脹率，但力學性能相對較差。通過控制印花圖案和上層和底層纖維之間的膨脹不匹配可以開發出各種變形的水凝膠結構，這些結構變形成復雜的仿生結構。
圖2 P(SA-co-AAc)溶液的可打印性
為了評價P(SA-co-AAC)溶液的打印性能，研究者測試了不同噴嘴直徑和聚合物濃度。結果顯示當聚合物濃度在30~45wt%之間，噴嘴直徑在60~330μm范圍內時，溶液可以打印成三維結構。當濃度低于30wt%或高于45wt%時，溶液太稀或太粘，不能打印。用濃度為35wt%、噴嘴直徑為110μm的溶劑構建了各種2D圖案和3D結構。單絲的俯視顯微照片和兩層網格結構的共聚焦熒光圖像表明，打印的構件與直徑約為200μm的凝膠纖維具有良好的形狀保真度。3D打印結構也可以通過這種溶劑鑄造打印來開發。
圖3 不同排列方向打印的水凝膠結構初始構型和變形后構型
研究人員制造了具有多層結構的水凝膠結構來演示程序化變形。將濃度為35wt%的墨水打印成具有正交排列的細絲的網格，蒸發60min，作為鈍化層。隨后，以相對于底部柵格的長軸的斜角θ在柵格頂部打印平行細絲。在對打印結構進行溶脹后，后打印的纖維具有較高的膨脹率，并且作為凝膠結構的活性層。正如預期的那樣，凝膠結構沿著后打印的凝膠纖維彎曲。不同斜角打印出的結構具有不同的變形結果。
圖4 以生物為靈感的3D打印結構
復雜的變形和最終配置可以通過設計打印結構來編程，研究者展示了蝸牛殼，貝殼，荷葉，春草和花朵的仿生結構。這種打印技術是設計一系列可溶于低沸點溶劑而無需化學交聯的堅韌水凝膠和彈性體(如梳狀/瓶刷聚合物水凝膠、殼聚糖水凝膠和嵌段共聚物)的有用策略，為使用這些變形凝膠結構的生物醫療設備和軟機器人的開發創造了機會。
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