【MaterialsViews】3D打印可控变形水凝胶

  外部刺激下的变形行为是自然界中有趣且与其生物功能息息相关的现象,如含羞草在触碰下的收缩,松果在湿度下的开合以及毛膏菜在激素刺激下的叶片卷曲等。因此,基于外部刺激下的变形行为研究引起了广泛的关注。目前,变形器件的主要难点为响应性材料以及器件的构筑方法。近年来,水凝胶的快速发展使其在变形器件上获得了广泛的应用。但在构筑方法上,很多都是以响应层-非响应层结合、通过多步组装来制备。并且在变形方面,目前的研究还停留在从二维平面向三维立体结构的变形,无法实现从三维向更加复杂三维形态的变化,限制了变形器件的发展。3D打印作为新兴的先进制造技术,具有精确构筑、自由设计以及一步成型的特点,因此,将其应用在水凝胶变形器件,能够充分发挥其在微结构制备方面的优势。

  中科院兰州化学物理研究所王晓龙研究员团队采用数字光处理(DLP)3D打印技术,通过在一侧构筑不对称的微结构实现了湿度刺激下的变形水凝胶材料和器件。以打印的样条为例(图1),通过在其表面一侧构筑垂直或倾斜于长度方向微沟槽,样条能够实现快速的弯曲或螺旋,更为重要的是这种弯曲或螺旋变形是可设计和控制的。

  

   图1. DLP 3D打印可控形变水凝胶示意图

  如图2所示,利用3D打印在自由设计和成形方面的优势,打印成形件在湿度刺激下能够实现从一维样条向三维类石斛兰花朵的形态转变,或从二维的平面花朵向三维风车的形态转变,或从三维八爪柱状体向更加复杂的三维八爪鱼或水轮机的形态转变,充分表现了采用3D打印灵活设计复杂可控变形器件的能力。更为重要的是,该变形器件的设计理念和方法具有良好的通用性和兼容性,可至多种光固化打印的水凝胶体系。如采用加入温敏性的2-甲基-2-丙烯酸-2-(2-甲氧基乙氧基)乙酯(MEO2MA)的前驱体材料,3D打印的抓取器能够在温度刺激下实现水下的快速抓取、输运与释放功能。研究者相信,这种采用3D打印实现单一水凝胶材料复杂但精确可控变形的方法对拓展3D打印在软机器人、智能器件方面的应用具有重要的意义。

  

   图2. 3D打印水凝胶实现复杂但精确可控变形

  相关工作发表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800713)上,王晓龙研究员为唯一通讯作者,博士研究生姬忠莹为第一作者。 

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