本文要點：

1. 開發(fā)了一種簡單而多用的3D打印方法，能夠制作出高復(fù)雜、含有高拉伸、高含水率的水凝膠混合3D結(jié)構(gòu)，并且可以與其他不同類型的水溶性UV固化聚合物（例如，彈性聚合物、剛性聚合物、類ABS聚合物、形狀記憶聚合物、以及其他可聚合的丙烯酸酯類聚合物）進(jìn)行共價鍵接。

2. 自建基于DLP的多種材料3D打印機(jī)，水凝膠-聚合物混合物3D結(jié)構(gòu)

3. 利用兩親表面處理劑將疏水光引發(fā)劑TPO改性為高親水TPO納米粉末，從而使AP水凝膠具有UV固化能力。

4. 在多材料打印過程中，未反應(yīng)的單體和交聯(lián)劑保留在加有TPO的水凝膠中，并在水凝膠-聚合物界面形成共價鍵。并通過FRIR和機(jī)械測試得到驗證。

文章摘要

背景介紹

水凝膠在生物醫(yī)藥、柔性電子等領(lǐng)域有多種用途。在很多應(yīng)用中，水凝膠與其他聚合物混合在一起形成混雜結(jié)構(gòu)，以此來保護(hù)、增強(qiáng)或增加新功能到水凝膠結(jié)構(gòu)中。鑒于水凝膠的多種應(yīng)用前景，需要開發(fā)一種有效的、制作擁有高設(shè)計自由度和豐富材料選擇的、水凝膠-聚合物基混雜結(jié)構(gòu)的方法。

3D打印能夠以自由的形式制作出復(fù)雜的3D物體，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用在制作3D水凝膠結(jié)構(gòu)。在所有的3D打印技術(shù)中，用于3D打印水凝膠最多的是基于擠出直寫技術(shù)(DIW) 。不同于基于DIW打印方法，基于DLP(digital light processing)的3D打印技術(shù)，形成3D結(jié)構(gòu)的方法是，通過數(shù)字化的UV紫外光照射打印出來的墨水（可UV聚合的液態(tài)3D打印材料 ）就地引發(fā)聚合，將液態(tài)聚合物樹脂固化成為固態(tài)3D結(jié)構(gòu)。因此，這是一種理想的制作高復(fù)雜、高分辨率的3D結(jié)構(gòu)的方法。

圖文介紹

Fig. 1. 多材料3D打印結(jié)合其他聚合物的水凝膠.（A）基于DLP多材料3D打印裝置的說明 (B,C) 分別是打印彈性體和水凝膠結(jié)構(gòu)的過程 (D) 由AP水凝膠和彈性體制作的對角對稱Kelvin結(jié)構(gòu)的照片 (E) 打印出的對角對稱Kelvin結(jié)構(gòu)的高形變描述 (F) 3D打印出的由剛性聚合物、AP水凝膠和彈性體組成的Kelvin泡沫的照片 (G) 3D打印的Kelvin泡沫高拉伸性能的說明 （比例尺 5 mm).

Fig. 2. 材料和粘接機(jī)理.(A) 用于制備AP水凝膠溶液的化學(xué)材料 (B) 水溶性TPO納米顆粒的示意圖 PVP, 聚乙烯吡咯烷酮. (C) (甲基)丙烯酸酯聚合物溶液的化學(xué)結(jié)構(gòu)，PI, 非水溶性光引發(fā)劑. (D to G) 圖解水凝膠-聚合物多材料結(jié)構(gòu)打印工藝流程.  (H to J) 交聯(lián)AP水凝膠、水凝膠-(甲基)丙烯酸酯聚合物界面 , 交聯(lián)(甲基)丙烯酸酯聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu).

Fig. 3. 聚合轉(zhuǎn)化率和鍵接強(qiáng)度的對比. (A) 不同引發(fā)劑（水溶性TPO,Irgacure-2959, APS-TEMED）引發(fā)的AP水凝膠的紅外光譜圖. (B) TPO和2959引發(fā)AP水凝膠的光聚合動力學(xué)對比.(C) TPO和APS-TEMED引發(fā)的AP水凝膠的應(yīng)力-拉伸行為對比. (D,E) UV固化彈性體分別與由水溶性TPO-和APS-TEMED–引發(fā)的水凝膠的粘接說明. (F-K) 3D打印出的AP水凝膠-聚合物樣品單軸拉伸測試 Tango 彈性體(F),Vero剛性聚合物(G), Agilus彈性體(H), PEGDA (I), 甲基丙烯酸酯SMP (J), 類ABS聚合物(K),  (I to Q) 分別是相應(yīng)的斷裂照片.

Fig. 4. 3D打印的剛性聚合物增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合物. (A-C) 馬蹄形剛性聚合物增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合物. (A) 各向同性的復(fù)合物照片. (B) 單軸拉伸前（左）和拉伸175%（右）的照片. (C) 純水凝膠和水凝膠復(fù)合物的應(yīng)力-應(yīng)變行為對比. (D-F) 立方結(jié)構(gòu)剛性聚合物增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合物. (D) 打印的復(fù)合物立方體的照片：有硬度梯度. (E)打印的復(fù)合物立方體的正視圖：構(gòu)架桿的直徑由0.5mm降低到0.2mm. (F) 測量的壓縮模量：純水凝膠和不同直徑構(gòu)架桿剛性聚合物立方體增強(qiáng)的水凝膠. (G) 由立方結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的水凝膠打印出的半月板. (H-K) 位置1-4的相應(yīng)微結(jié)構(gòu)的顯微照片(比例尺,500 μm).

Fig. 5. 打印的擁有藥物釋放功能的形狀記憶支架

Fig. 6. 打印的帶有水凝膠應(yīng)變傳感器的柔性氣動裝置