瑞士洛桑联邦理工AFM|3D打印高强韧双网络颗粒水凝胶

3D打印科研前沿
2020
11/17
09:38
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来源:上普生物

近期,瑞士洛桑联邦理工学院的Esther Amstad团队在Advanced Functional Materials期刊上发表了“3D Printing of Strong and Tough Double Network Granular Hydrogels”的文章。

摘要
许多柔软的天然组织显示出令人着迷的一组机械性能,而这些性能仍然是人造的同类产品无法比拟的。这些前所未有的机械性能是通过结构之间的复杂相互作用以及局部改变这些天然组织的成分来实现的。在软合成材料中无法达到这种控制水平。为了解决这个缺点,引入了一种新颖的3D打印方法来制造坚韧的软质材料,即由分隔试剂制成的双网状颗粒水凝胶(DNGH)。这是由一种由微凝胶组成的墨水实现的,该微凝胶在含单体的溶液中会溶胀。墨水经过添加剂制造后,这些单体被转化为渗滤网络,从而形成DNGH。这些DNGH足够坚硬,可以重复支撑高达1.3 MPa的拉伸载荷。而且,它们比它们所制成的每个纯聚合物网络都要坚韧一个数量级。事实证明,这种墨水可以印刷宏观的,坚固的和坚硬的物体,可以选择以高保真度使之响应。DNGH的模块化且坚固耐用的制造方式为设计自适应,坚固和坚韧的水凝胶开辟了新的可能性,这些水凝胶有可能推动软机器人应用领域的发展。

墨水的制备
微颗粒凝胶接触面小,形成的结构强度低。因此为了提升水凝胶的力学性能,研究者合成了具有高溶胀能力的丙磺酸类(AMPS)微凝胶。使其具备良好的制造和打印能力。打印后,AM单体经过UV固化可转变形成穿透的PAM网络,这两步分步成型固化方式可形成性能良好的双网络水凝胶。
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图1 生物墨水的制备

流变与力学性能
墨水保持了很好的触变性,使其能轻易的被挤出式打印。并展示出了良好的力学性能,DNGH可以重复支撑高达1.3 MPa的拉伸载荷。

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图2 墨水的流变特性

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图3 墨水的力学性能

墨水的打印
由于材料的触变性能强,该墨水可以轻易被打印,并保持非常好的力学性能。比目前已知的3D打印墨水都要坚硬。
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图4 墨水的打印性能
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图5 与其他水凝胶的对比
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图6 打印不同模型
总结
总之,研究者引入了一种模块化,通用的方法来增材制造强韧的复杂水凝胶。水凝胶由堵塞的微凝胶组成,这些微凝胶通过第二个共价交联的渗滤网络连接。研究者的方法将堵塞的微凝胶的有利流变特性与双网状水凝胶的优异机械性能相结合,以增材制造可选择性地适应性强而坚硬的颗粒状水凝胶。因为相邻的微凝胶嵌入在渗滤3D网络中,所以添加剂制造的材料的机械性能是各向同性的,并且与打印方向无关。重要的是,制造DNGH的两步法不仅限于水凝胶颗粒,还可以扩展到可加工成多孔颗粒的多种材料。因此,它显着扩大了可以3D打印成复杂的机械坚固材料的材料范围。粒状墨水设计的灵活性以及对微米长度刻度结构的出色控制,为设计下一代坚固耐用的软机器人和植入物提供了新的可能性,这些机器人和植入物可以响应外部刺激而局部适应其性能。

参考文献
Hirsch, M. , Charlet, A. , & Amstad, E. . (2020). 3d printing of strong and tough double network granular hydrogels. Advanced Functional Materials.

(DOI: 10.1002/adfm.2020059292)

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