基于水性油墨《Small》3D打印分层结构超分子聚合物液晶水凝胶

3D打印科研前沿
2021
01/18
11:33
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来源:高分子材料科学

【前沿背景】

液晶水凝胶是一类引人注目的柔软材料,可用于直接电荷传输,机械驱动和细胞迁移。当这样的系统包含超分子聚合物时,原则上可以容易地剪切排列的纳米级结构并产生本体各向异性性质。然而,使用常规制造技术,在3D水凝胶中可再现地制造和构图对准的超分子域仍然是挑战。

【科研摘要】

最近,美国西北大学Samuel I. Stupp教授团队报道了一种用于从水性超分子聚合物油墨中进行离子交联的液晶水凝胶3D打印的方法。相关论文3D Printing of Supramolecular Polymer Hydrogels with Hierarchical Structure发表在Wiley杂志《Small》期刊上。结合实验技术和分子动力学模拟,发现pH和盐浓度控制着自组装结构之间的分子间相互作用,其中超分子聚合物上的较低电荷密度和从电解质中的较高电荷筛选导致了较高粘度的油墨。当使用较小的喷嘴直径和快速的打印速度时,高粘度油墨中组件之间增强的层次结构相互作用提高了可打印性,并最终导致了挤出的宏观丝中更大的纳米级排列。事实证明,这种方法的使用可产生具有各向异性离子和电子电荷传输的材料,以及由于超分子自组装和增材制造的协同作用而触发细胞宏观排列的支架。
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【图文解析】

2.1超分子聚合物水凝胶的DIW

合成了具有PA折叠结构域的已知PA分子的阴离子和阳离子版本,该结构域促进了超分子聚合物向纳米纤维的延伸以及谷氨酸或赖氨酸残基的定义,从而定义了电荷并增加了水溶性(图1a)。当存在阳离子(例如Ca2+)或聚电解质时,阴离子PA(E3)形成离子交联的水凝胶,而阳离子PA(K3)与阴离子物质(例如SO42-)发生离子交联。油墨是由0.5-2 wt%的PA水溶液制备的,将其进行热退火并缓慢冷却以驱动高长径比纳米纤维的超分子自组装。与其他超分子和共价聚合物相比,超分子聚合物的高各向异性促使Onsager跃迁以低浓度形成液晶畴。退火步骤之后,将PA溶液不加任何添加剂的情况下装入基于注射器的挤出3D打印机中。将方形曲折图案打印在盐涂层的基材上,以使剪切对齐的PA溶液与表面接触后进行离子交联(图1b)。作者发现,可以将墨水书写的超分子聚合物水凝胶丝引导到带有尖角的任意图案中(图1c)。偏振光学显微镜(POM)图像显示,当灯丝与偏振片成45°取向时,颜色均匀,表明水凝胶中PA纳米纤维的单畴排列(图1c)。扫描电子显微镜(SEM)成像证实了纳米纤维沿挤出方向的大量排列(图1d)。与打印在基材上的凝胶相比,通过直接挤出到CaCl2溶液中形成的长丝具有较粗糙的边缘和不均匀的双折射图案。这表明喷嘴中的剪切力和来自基材的伸长力都与纳米纤维的排列有关。为了优化打印条件和离子交联的PA凝胶的排列,作者研究了纳米纤维状聚合物中的超分子内聚力如何影响油墨粘度,以及离子化合价和浓度如何确定打印结构的保真度。以下各节概述了如何使用超分子化学来调节油墨的可打印性以及如何利用打印参数来增强功能。

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△图1挤出打印液晶超分子聚合物水凝胶。


2.2通过分层的超分子相互作用调节油墨粘度

为了从水溶液进行有效的直接写入打印,墨水必须具有高于水的粘度,以控制挤出过程中的流动。经发现,通过以10 s-1的剪切速率测量粘度至少为80 mPa s的浓度增加到1 wt%以上,可以增加油墨中的PA含量,从而获得适合3D打印的粘度曲线。在1.5 wt%的浓度下,E3和K3油墨在不同pH值的流量曲线测量中均显示出较强的剪切稀化曲线(图2a,b)。这些曲线可以与Carreau模型拟合,以提取PA油墨的零剪切粘度,无限剪切粘度,弛豫时间和剪切稀化指数。

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△图2 PA纳米纤维油墨在不同pH值下的粘度和结构。


相比之下,作者看到在K3的所有pH值下都有长的纳米纤维(图2f–h)。在每个pH值下对墨水的小角度X射线散射(SAXS)测量都证实了TEM成像,其中低q范围内的-1斜率对应于一维纳米结构,而斜率0对应于0D(球形)纳米结构(图2i,k)。为了进一步探究这一点,使用了广角X射线散射(WAXS),并在pH 7和9下观察到E3在1.35-1附近出现一个峰,对应于β-折叠d-间隔为4.64,而在 pH 11时,当纳米级组件变为球形时,该衍射峰消失(图2j)。与pH 7相比,对于E3,其强度在pH 9时降低了大约一半,这表明在较高的电荷密度下,形成超分子聚合物的氢键键合单体的内部阶次较少。相比之下,对于所有pH值,K3在1.34-1处都有一个WAXS峰,对应于β-sheetd-间隔为4.68(图2l)。

考虑到使用CG-MD模拟成功复制了E3和K3纤维中自组装趋势,然后作者开发了多纤维模拟,以确定超分子聚合物之间的相互作用能随电荷密度的变化而变化。对于这些研究,将两根预组装的光纤放在相互作用距离内(表面在1 nm内)放在同一仿真框中,并使其平衡10 s(图3a)。不出所料,PA表面较高的电荷密度导致E3和K3的电荷排斥力增加,两条光纤之间的距离增大(图3b)。有趣的是,当电荷在平衡后的相互作用距离内时,在等效电荷密度下,K3纤维之间的平均距离小于E3纤维。通过计算两条纤维之间的相互作用能,作者发现较低的电荷密度(例如+/-1与+/-1.5相比)会导致纤维间亲和力增强一个数量级以上(图3c)。

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△图3光纤相互作用的CG-MD模拟。


2.3离子交联可精确控制长丝尺寸

为了精确地在表面上构图并构建自立式水凝胶,PA墨水在离开挤出喷嘴时必须迅速凝胶化以防止扩散。通过用盐溶液喷涂打印基材来实现此目的,以使油墨与基材接触后触发离子交联。作者选择使用E3 pH 7和K3 pH 7墨水,因为它们具有最高的粘度,因此可以在挤出过程中进行最大程度的控制。

2.4通过打印参数控制纳米纤维排列

为了优化PA纳米纤维在挤出水凝胶中的排列,作者使用打印凝胶的2D SAXS模式对它们的纤维轴各向异性进行了表征。作者在具有不同喷嘴直径和打印速度的CaCl2涂层基材上打印了E3纳米纤维凝胶,以测试剪切速率如何影响纳米纤维排列。

在较小的喷嘴尺寸和较快的速度下,作者观察到X射线散射中的各向异性,该峰在与打印方向成90°的方向上在q0.8 nm-1处的方位线切割中,对应于干打印物中短距离的纤维间距离,大约为8 nm,与纳米纤维直径一致(图4a)。通过测量方位峰的半峰全宽(FWHM),可以量化纳米纤维在打印方向上的排列。观察到在较高的剪切速率下,FWHM降低,表明当使用较小的喷嘴尺寸和较快的打印速度时,超分子纳米纤维的排列增强。

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△图4挤出打印过程中的PA纳米纤维排列。


为了证实SAXS数据并加快数据收集速度,作者使用打印的灯丝的POM图像计算了当灯丝相对于偏振片方向分别为0°和45°时光强度的比率(图4b)。双折射比随剪切速率的增加而增加,并且与SAXS实验中的FWHM成反比,因此验证了此方法可快速比较具有不同打印参数的纳米纤维排列(图4c)。为了可视化哪些参数影响纳米纤维的排列,作者绘制了双折射比的热图,将其绘制为表观粘度,喷嘴尺寸和打印速度的函数(图4d,e)。

2.5打印的超分子聚合物水凝胶的功能

可以对取向液晶水凝胶进行编程以实现各向异性功能。为了确定纳米纤维排列对纳米纤维凝胶中离子迁移的影响,作者打印了一片排列的PA细丝,并将凝胶封装在带有定义的Au电极插入物的聚二甲基硅氧烷微流体芯片中(图5a,b)。使用电化学阻抗谱(EIS)来测量离子电导率,并且在相位滞后接近0°的AC频率下,在剪切对准方向上的阻抗比在垂直于Bode模量曲线上的阻抗低(图5c)。

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△图5打印的超分子聚合物液晶水凝胶的功能。


同样,为了证明这些打印凝胶的潜在生物学功能,在E3 pH 7墨水中添加了C2C12成肌细胞,以创建PA生物墨水(图5d)。在将含有被囊封细胞的超分子凝胶打印到CaCl2涂层的盖玻片上并培养7天后,观察到了使用Calcein-AM染色的高细胞活力,有趣的是沿细丝的打印方向排列了细胞(图5e–g)。螺旋纳米结构更长,可以缠结得更多,因此产生了更高的粘度溶液,从而增加了可打印性和纳米结构排列的潜力。通过以10 mm s-1的压力通过100 m喷嘴挤出到涂有CaCl2的基材上,对CA组件进行了剪切对齐,这在POM和SEM成像中得到了证明(图5h,i)。与随机取向的滴铸干凝胶相比,这种结构各向异性导致干凝胶沿打印方向的电导率提高(图5j)。

最后,为了证明PA超分子凝胶的DIW可以扩展以制造宏观3D对象,作者通过气溶胶喷雾在各层之间应用了盐交联溶液(图6a)。此步骤提供了额外的盐,以使随后的挤出层交联,并使能够构建任意形状的多层结构,例如西北大学的徽标和各种尺寸的管(图6b,c)。

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△图6液晶超分子聚合物油墨的3D打印多层水凝胶构造。


参考文献:doi.org/10.1002/smll.202005743




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