將水凝膠與其他高分子材料快速鍵合形成水凝膠-高分子復(fù)合結(jié)構(gòu)，可起到保護(hù)、增強(qiáng)水凝膠結(jié)構(gòu)或引入新功能的作用，這在生物醫(yī)療、柔性電子等諸多領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用價(jià)值。但是，目前關(guān)于水凝膠-高分子復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究主要集中在實(shí)現(xiàn)水凝膠與硅膠間的界面鍵合，且結(jié)構(gòu)多為簡(jiǎn)單的層合結(jié)構(gòu)，極大地限制了其應(yīng)用。
基于數(shù)字光處理的3D打印技術(shù)通過(guò)數(shù)字化紫外光輻射引發(fā)液態(tài)光敏樹(shù)脂局部光聚合形成固態(tài)三維結(jié)構(gòu)，是制造高精度復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的理想技術(shù)。利用該技術(shù)可對(duì)各種光敏水凝膠和高分子材料進(jìn)行快速三維成型。但是，對(duì)于采用基于數(shù)字光處理多材料3D打印水凝膠-高分子復(fù)合結(jié)構(gòu)而言，如何在打印過(guò)程中快速形成水凝膠與高分子材料間的共價(jià)鍵合仍然是一個(gè)難題。
針對(duì)上述問(wèn)題，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系教授葛锜研究團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)教授曲紹興研究團(tuán)隊(duì)合作在《Science Advances》發(fā)表雜志封面文章，通過(guò)數(shù)字光處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)水凝膠-高分子復(fù)合結(jié)構(gòu)的多材料3D打印，用于多功能柔性結(jié)構(gòu)與器件的快速一體化成型。該成果題為“3D printing of highly stretchable hydrogel with diverse UV curable polymers”。
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單而通用的水凝膠-高分子多材料3D打印方法，可使得高拉伸-高含水量丙烯酰胺水凝膠在數(shù)字光處理3D打印過(guò)程能與不同光敏樹(shù)脂形成強(qiáng)韌的界面結(jié)合力。該方法巧妙地利用了改性水溶性光引發(fā)劑-2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦（TPO）在引發(fā)丙烯酰胺水凝膠光聚合反應(yīng)時(shí)的不完全性，使其能與包括彈性體、剛性聚合物、ABS類樹(shù)脂、形狀記憶高分子在內(nèi)的不同（甲基）丙烯酸酯類樹(shù)脂形成共價(jià)界面，因此具有普適性。
如圖1所示，利用葛锜團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的數(shù)字光處理技術(shù)多材料3D打印系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水凝膠-高分子高精度多材料復(fù)雜混合三維結(jié)構(gòu)的快速一體化成型。通過(guò)三個(gè)應(yīng)用案例，論文論證所提出的新方法可以極大地豐富水凝膠-高分子結(jié)構(gòu)與器件的設(shè)計(jì)自由度，并實(shí)現(xiàn)其功能和性能的進(jìn)一步提升。
圖1. 多材料3D打印水凝膠與其他高分子材料的復(fù)合三維結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，通過(guò)多材料3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)水凝膠三維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的快速一體化成型。通過(guò)剛度增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可將水凝膠復(fù)合材料拉伸模量提高約30倍，壓縮模量提高高達(dá)700多倍。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)局部尺寸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水凝膠復(fù)合材料局部剛度的調(diào)控。
圖2. 多材料3D打印水凝膠復(fù)合材料三維結(jié)構(gòu)。
如圖3所示，通過(guò)多材料3D打印技術(shù)制備的具有藥物緩釋功能的水凝膠-形狀記憶高分子（SMP）心血管支架。所采用的形狀記憶高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為30℃，在體溫37℃環(huán)境下會(huì)自動(dòng)展開(kāi)撐開(kāi)硬化、狹窄的心血管。而在心血管支架上通過(guò)3D打印嵌入的水凝膠材料則賦予其藥物緩釋功能。實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)載藥物的水凝膠在經(jīng)過(guò)2分鐘、30分鐘和1小時(shí)后，藥物釋放量分別為3%、16%和30%，在24小時(shí)后可完全釋放。
圖3. 3D打印的具有藥物緩釋功能的形狀記憶心血管支架。
如圖4所示，通過(guò)多材料3D打印離子導(dǎo)電水凝膠與光敏彈性體可以直接通過(guò)3D打印將應(yīng)變傳感功能賦予軟體驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)-傳感快速一體化成型。
圖4. 3D打印的具有應(yīng)力傳感功能的軟體驅(qū)動(dòng)器。
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aba4261
近期，摩方精密與質(zhì)多三維聯(lián)合推出全新多材料4D打印解決方案——microArch? M150，支持硬樹(shù)脂、彈性體、水凝膠、形狀記憶高分子、導(dǎo)電彈性體等多功能材料及其組合結(jié)構(gòu)一體化成型。
離心式多材料切換技術(shù)：離心轉(zhuǎn)速最高達(dá)10000轉(zhuǎn)/分鐘，60秒內(nèi)快速完成多材料動(dòng)態(tài)切換，單次打印支持高達(dá)2,500次的材料轉(zhuǎn)換;
配套多材料切片軟件：自主研發(fā)多材料模型切片系統(tǒng)，支持多種材料在空間任意分布的多材料模型切片，切片處理速度高達(dá)500張/分鐘；
支持各類高性能的4D打印功能材料：適配粘度范圍5~5,000 cps的多元化4D打印材料體系；
多材料多功能耦合結(jié)構(gòu)一體成型：實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜度、高精度、多功能的多材料耦合結(jié)構(gòu)一體化成型，支持同時(shí)打印1-3種材料，實(shí)現(xiàn)層內(nèi)/層間多材料切換，且多材料層內(nèi)過(guò)渡區(qū)尺寸＜100微米。
