亲疏水复合构造在自然界中广泛存在，如细胞膜、哺乳动物皮肤、植物表层等，这种异质材料的结合使细胞得以通报生物电旗子暗记，蜕变出纷繁繁芜的生命系统。
近年来，基于水凝胶/弹性体的亲疏水构造取得明显进展，在可拉伸电子、软体机器人、摩擦发电机等领域具有广泛运用前景，但其布局仍较为大略，无法媲美天然构造。作为快速成型技能，3D打印可用于繁芜软构造的制备。然而，现有的亲疏水构造在打印过程中的界面粘接性能极差。
针对此问题，西安交通大学航天航空学院软机器实验室西席唐敬达与美国科学院院士、美国工程院院士、哈佛大学教授锁志刚互助提出了一种软构造3D打印的强韧粘接技能，实现了具有超强界面粘接的水凝胶/弹性体亲疏水异质构造的打印。干系研究结果近日揭橥于《前辈功能材料》。
水凝胶/弹性体复合物粘接困难
软材料在生物医用、电子皮肤、柔性机器人等当代科技领域中具有潜在的运用代价，因此软材料被广泛关注。
水凝胶作为软材料的一种，由水分子和聚合物网络组成，因此水为分散介质的凝胶。具有高含水量、化学生物分子透过性、生物相容性以及可生物降解性等优点。该亲水材料对人体组织无刺激，因此在日常生活中得到广泛运用，如果冻（明胶）、婴儿尿不湿、隐形眼镜等。
唐敬达见告《中国科学报》，第一代水凝胶是软而脆的材料，因此其力学性子并没有得到广泛关注。
近二十年来，国际上针对改进水凝胶力学性能开展了大量事情，形成了研究热点，相继开拓出了纳米复合水凝胶、双网络水凝胶和韧性水凝胶等高强度、高韧性水凝胶，这些高强水凝胶可以承受大的变形。如锁志刚2012年在《自然》宣布的一种韧性水凝胶——聚丙烯酰胺-海藻酸钠水凝胶。
弹性体泛指在撤除外力后能恢复原状的材料，目前弹性体更扩展为具有弹性的聚合物的总称。弹性体具有精良的机器性能，并且在各种环境下表现出稳定的性子。作为疏水性材料，弹性体常日合营多种材料形成亲疏水复合构造发挥浸染。
水凝胶与弹性体具有上风互补的特点，因此，设计一种同时具有水凝胶与弹性体上风的复合股料将极大的拓宽其运用领域。
近年来，一系列的水凝胶/弹性体复合物通过界面结合的办法连接在一起，但存在界面结合力弱，质地不均一等缺陷。通过大略的制备方法得到一种均质的水凝胶/弹性体复合股料仍旧是一大寻衅。
共价键+坚韧材料实现强韧粘接
唐敬达表示，实现水凝胶和弹性体两种材料的超强粘接，须要知足两个条件：一是两者之间以共价键连接；二是水凝胶材料足够坚韧。“这样水凝胶/弹性体复合构造才能达到较高的粘接能，实现强有力的粘接。”唐敬达说。
湖南大学机器与运载工程学院副教授毛贻齐向《中国科学报》表示，他曾考试测验用物理方法进行水凝胶和弹性体之间的粘接。“用弹性体包裹水凝胶，通过水驱动实现二者的粘接。但此方法形成的粘接体很随意马虎分开，效果不好。”
据先容，此前美国麻省理工大学教授赵选贺课题组率先通过表面处理的办法，实现了水凝胶/弹性体以共价键形式粘接，但表面处理的办法不宜用于3D打印技能。
唐敬达等人分别制备了水凝胶和弹性体预聚体，采取本体处理办法，将联接引发剂溶于弹性体材料中。然后分别调节弹性体预聚液和水凝胶预聚液的粘度，将两者以任意顺序3D打印在一起，紫外引发聚合反应，使水凝胶和弹性体材料在打印过程中实现粘接，形成具有强韧粘接的水凝胶/弹性体复合体。
该方法不同于常规的表面改性，采取本体改性的策略，打印试样的粘接能可达5000J/m2以上。
为测试粘接效果，研究职员分别打印了有粘接、无粘接复合栅格构造并对其进行压缩。有粘接的试样经受巨大压缩仍不毁坏，而未采纳粘接策略的试样完备不能承载。此外，研究职员创造，利用普通凝胶打印则会发生拉伸断裂和溶胀断裂。由此可见，形成稳定的亲疏水构造既须要良好的粘接，也须要强韧的基体材料。
由于水含量较高，水凝胶与其他软物质的粘接效果不是很好。“该研究利用引发剂，以共价键的形式将水凝胶和弹性体粘接，固化了二者之间的粘接，实现了强韧的粘接效果，是一项故意思的创新技能。”毛贻齐说。
粘接技能做事3D打印运用广泛
软材料3D打印在医学中的运用尤其广泛，可打印出心脏、血管等生物仿体。唐敬达举例先容，很多医学生或演习年夜夫在初始阶段对人体构造并没有完善的认知，利用3D打印的器官仿体，可以对他们进行培训传授教化，帮助他们形成较准确的感官认识。这对他们技能、技能的提高大有裨益。
毛贻齐认为，亲疏水材料的结合为软构造的3D打印供应了一种通用的办理方案，该粘接技能适用于多种水凝胶和弹性体的强韧粘接打印，可以发散性地运用到很多领域。如可拉伸器件、功能器件的驱动制备等。
唐敬达表示，该软材料3D打印强韧粘接技能不局限运用于水凝胶/弹性体的粘接，或许还可以拓展到形状影象聚合物与水凝胶的粘接。利用形状影象聚合物这种智能材料，可以通过3D打印机，实现4D打印。
“例如打印平面构造时，给予一个刺激（热刺激或电刺激），这个平面就可以从二维构造变成三维构造。以此类推，三维构造也能变成其余一个繁芜的构造，这就叫4D打印。”唐敬达阐明，“换句话说，在3D打印的根本上，加上韶光的成分，给予刺激后，智能材料可以从一个形状变成其余一个形状，实现4D打印。”
与3D打印比较，4D打印更为智能，它不但能够创造出有聪慧、有适应能力的新事物，还可以改变传统的工业打印。与此同时，4D打印对打印材料也有更高哀求。
基于此，研究职员利用该粘接技能，进一步打印了花朵、蝴蝶、章鱼形状的复合构造，实现了具有溶胀相应的4D打印。“因此，该粘接技能在4D打印领域将具有更大的发展前景。”唐敬达说。辛雨
干系论文信息：https://doi.org/10.1002/adfm.201901721
来源：科学网
