作者:Thamarasee Jeewandara，科学X网络，物理
（同organic）有机 含其他聚合物的多材料3D打印水凝胶
(一)基于DLP的多材料3D打印设备的图示
分别印刷弹性体和水凝胶结构的方法
由水凝胶和弹性体制成的对角对称开尔文模型的快照
证明印刷对角对称开尔文形式的高变形性
(六)由刚性聚合物、聚丙烯水凝胶和弹性体组成的印刷开尔文泡沫的快照
印刷多材料开尔文泡沫的高拉伸性证明
比例尺，5毫米
(图片来源:浙江大学陈喆
)学分:科学进步，doi: 10
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aba4261 水凝胶-聚合物混合物广泛用于各种应用，以形成生物医学装置和柔性电子器件
然而，这些技术目前仅限于含硅橡胶的水凝胶-聚合物混合层压材料
这会极大地限制基于水凝胶聚合物的装置和机器的功能和性能
在一项新的研究中，齐格和一组来自中国、新加坡和以色列的机械、机电系统、柔性电子、化学和先进设计领域的科学家展示了一种简单、通用的多材料三维打印方法
该方法允许开发包含高度可拉伸和高含水量丙烯酰胺的复杂杂化三维结构——聚乙二醇二丙烯酸酯(缩写为AP水凝胶)，与各种紫外线可固化聚合物共价结合
该团队在一台自建的基于数字光处理的多材料三维打印机上打印了混合结构
它们通过水溶性光引发剂引发的不完全聚合促进了水凝胶和其他聚合物之间的共价键合
该团队展示了基于这种方法的一些应用，提出了一种通过将水凝胶与不同的聚合物以三维形式结合来实现多功能软设备和机器的新方法
这项工作现在发表在《科学进展》杂志上
新的三维打印方法 水凝胶是含水的聚合物网络，在生物医学设备和柔性电子设备中有多种应用
材料工程中的许多应用将水凝胶与其他聚合物相结合，以设计混合结构来保护、增强或增加水凝胶结构的新功能，例如基于水凝胶的润滑剂皮肤和弹性抗水化涂层
然而，大多数与水凝胶形成混合物的聚合物大多局限于硅橡胶和层压结构，这限制了这些装置和机器的功能和性能
因此，材料科学家致力于开发有效的替代策略
在这项工作中，葛等人
报道了一种简单通用的多材料三维打印方法，用于开发高度复杂的混合三维结构
新方法将为开发功能和性能大大扩展的软设备和机器铺平有效的道路
基于数字光打印的多材料3D打印系统
学分:科学进步，doi: 10
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aba4261 多材料三维打印与其他材料 该材料包含具有高含水量的高度可拉伸水凝胶，与各种不溶于水的可紫外固化聚合物共价结合，例如弹性体、刚性聚合物、形状记忆聚合物和紫外固化的甲基丙烯酸酯网络
作为概念证明，他们使用了多材料三维打印方法，并展示了许多应用，包括用于药物输送的四维打印心血管支架和三维打印离子导体
Ge等
首先使用“自下而上”的方法，在自建的、高分辨率、高效率的基于数字光处理的多材料三维打印机上打印水凝胶聚合物结构
在此过程中，从紫外投影仪照射的数字化紫外光被放置在印刷台下方，并可垂直移动以控制每个印刷层的层厚
印刷台和紫外线投影仪之间的玻璃表面支撑两个或三个聚合物前体溶液水坑，以根据需要输送前体溶液
科学家们使用了高度可拉伸和高含水量的紫外线固化丙烯酰胺-聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)，即所谓的AP水凝胶。
他们获得了可紫外固化的聚合物作为可商购的基于甲基丙烯酸酯的三维印刷聚合物
材料粘合机理 研究小组探索了使丙烯酸酯水凝胶与其他甲基丙烯酸酯基紫外线固化聚合物牢固结合的机制
为此，他们通过在水中混合丙烯酰胺粉末、聚乙二醇二甲基醚聚合物和水溶性光引发剂来制备丙烯酰胺水凝胶前体溶液
他们通过改变混合聚合物的比例和调节含水量来调整材料的机械性能
自配的水溶性光引发剂(2，4，6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦，缩写为TPO)形成了水凝胶前体溶液的关键成分，使其具有高度的紫外线可固化性和三维可印刷性
为了三维打印包含水凝胶和其他聚合物的混合结构，葛等
还选择了许多商业上可获得的聚合物前体溶液，例如基于甲基丙烯酸酯的单体、交联剂和低聚物
材料和粘合机理
(一)用于制备水凝胶溶液的化学品
(二)水溶性TPO纳米粒子的说明
聚乙烯吡咯烷酮
(三)基于(甲基)丙烯酸酯的聚合物溶液的可能化学结构
光引发剂
印刷水凝胶-聚合物多材料结构过程示意图
(高到低)分别为交联的丙烯酸酯水凝胶、丙烯酸酯水凝胶—(甲基)丙烯酸酯聚合物界面和交联的(甲基)丙烯酸酯聚合物的化学结构
r、R1和R2是(甲基)丙烯酸酯聚合物中可能的中间链
学分:科学进步，doi: 10
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aba4261 多材料三维打印方法产生的化学结构与提出的水凝胶和甲基丙烯酸酯单体之间的界面结合机制
材料界面上的反应性基团允许聚合物和水凝胶层之间的化学键合
为了验证所提出的界面结合机理，葛等
进行傅里叶变换红外光谱分析，比较材料间的转化率和聚合动力学
Ge等
然后通过进行180度剥离试验来研究水凝胶和可紫外固化聚合物之间的界面韧性
结果显示破坏水凝胶-聚合物界面所需的能量大于破坏水凝胶本身所需的能量
概念证明:三维印刷，刚性聚合物水凝胶复合材料，心血管支架和柔性电子设备 基于新材料的特性，葛等
易于开发的刚性聚合物增强水凝胶复合材料，具有优异的机械性能和设计灵活性
该团队设计了一系列微结构来增强刚度，并探索了水凝胶和人体组织之间刚度失配的现有挑战，他们通过印刷一个由维罗刚性聚合物增强的AP水凝胶组成的半月板来证明这一点
他们通过改变刚性微结构来机械地调整材料，使材料具有更高的功能性和三维打印生物材料和组织的性能
接下来，科学家们使用形状记忆聚合物(SMPs)作为理想的四维打印材料，以三维打印能够在狭窄血管中扩张的心血管支架形状
他们使用多种材料的三维打印，通过将水凝胶包含在构建体中，将药物释放功能传递到心血管表面贴装支架中
3D打印刚性聚合物增强水凝胶复合材料
马蹄形刚性聚合物结构增强的水凝胶复合材料
(一)印刷复合材料的各向同性图片
(二)单轴拉伸试验前(左)和拉伸175%后(右)复合材料的快照
(三)纯水凝胶与复合材料应力应变行为的比较
刚性聚合物网格结构增强的水凝胶复合材料
(四)具有梯度刚度的印刷复合立方体的各向同性图片
(五)印刷复合立方体的前视图，其中桁架杆的直径从0
5比0
2毫米
(六)测量纯水凝胶和刚性聚合物网格结构的压缩模量——不同棒直径的增强水凝胶
由刚性网格结构增强的水凝胶制成的印刷弯月面的快照
印刷弯月面内位置1至4处的微结构的相应显微图像(比例尺，500微米)
(图片来源:浙江大学陈喆
)学分:科学进步，doi: 10
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aba4261 他们将表面贴装支架编程为紧凑的形状，并在不同的编程温度下植入后恢复其原始形状
他们使用多种材料的数字光处理打印机，开发了表面贴装水凝胶支架，并将红色染料加载到结构中以模拟药物释放
该团队在塑料管中进行了实验，以显示支架植入后的扩张和基于水凝胶的药物释放
此后，他们利用水凝胶的离子导电性作为柔性电子器件的一种有前途的特性
为此，他们印刷了一个带有水凝胶应变传感器的软气动执行器，并进行有限元分析(FEA)来模拟该结构的弯曲，以形成一个印刷的柔性电子设备，该设备具有三维离子导电水凝胶网格结构和防水弹性保护皮肤
形状记忆聚合物/水凝胶支架植入过程，随后通过水凝胶皮肤给药
学分:科学进步，doi: 10
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aba4261 前景 通过这种方式，齐格和他的同事开发了一种简单而通用的多材料三维打印方法，来制造高度复杂的混合三维结构
然后，他们使用自制的数字光处理多材料三维打印机来形成水凝胶-聚合物混合三维结构
该团队展示了一系列应用，包括三维印刷半月板、四维印刷心血管支架和三维印刷离子导体，作为该方法的优势
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