浙江大學Adv.Funct.Mater.：將3D列印與靜電紡絲相結合，實現快速響應和增強水凝膠致動器的可設計性

【引言】

多孔結構已成為形狀變形水凝膠實現快速響應的重要突破。然而，通常這些多孔致動器所獲得的3D形狀單調而單一。本文通過結合「靜電紡絲」和「3D列印」兩種技術，開發了一種簡單而通用的方法，可以生成具有快速變形和性能增強的3D設計性可變形水凝膠。在有介孔結構的電紡膜上通過刺激響應，調節由膨脹/收縮引起的平面及層間內應力，從而指導電紡膜的變形行為以適應環境的變化。通過該法，一系列快速變形的水凝膠致動器擁有了各種獨特的響應行為，包括3D結構的可逆/不可逆形成，3D管的摺疊以及具有多低能態的3D結構的形成。值得注意的是，雖然聚（N-異丙基丙烯醯胺）被選為本研究的模型系統，該法同樣適用於其他刺激響應水凝膠，這豐富了快速變形水凝膠致動器的應用前景。

【成果簡介】

近日，浙江大學的計劍教授和德國拜羅伊特大學的Seema Agarwal（共同通訊）在Adv. Funct. Mater.上發表了一篇題為「Combining 3D Printing with Electrospinning for Rapid Response and Enhanced Designability of Hydrogel Actuators」 的文章。該文章介紹了利用介孔結構電紡絲熱響應聚（N-異丙基丙烯醯胺）（PNIPAm）膜作為具有多孔結構的形態發生基底，確保水的溫度在低於和低於其臨界溶解溫度（LCST）的溫度變化時快速吸收和解吸。通過3D印表機在PNIPAm膜上列印不同的剛性PNIPAm /粘土圖案。雖然PNIPAm /粘土複合材料與電紡膜相比表現的響應性比較不明顯，但它對指導形成控制基材形狀轉變的內部應力具有特別作用。PNIPAm作為模型系統，是一種適用於眾多其他響應型水凝膠的普適性方法。與其他圖案化技術相比，作為計算機輔助的3D列印技術既提供對結構和成分的精確控制，又提供出色的可設計性。該法創造性地融合靜電紡絲和3D列印的優勢，在提高獲得的3D形狀的複雜性的同時增強設計性，提供快速變形，簡單易行。

【圖文導讀】

圖1通過靜電紡絲製備PNIPAm執行器示意圖

a）UV交聯；

b）3D列印輔助圖案化；

c）最簡單圖案的準備樣品的示意圖。

圖2樣品示意圖及其內部應力測試

a）準備樣品的示意圖；

b）所製備樣品的可逆形狀轉變；

c）在37℃下由膨脹失配引起的面內內應力（向上）和層間內應力（向下）的示意圖。 紅色箭頭：作用於印刷線上的應力; 黑色箭頭：作用於靜電紡絲（NIPAm-ABP）膜上的應力；

d）在37℃下在水中彎曲的電紡膜；

e）隨著印刷線之間距離的增加，37℃時的曲率變化；

f）樣品在水中的溫度響應性（相鄰印刷線之間的距離為6mm）；

g）升溫/降溫周期中形狀轉變的可重複性（相鄰印刷線之間的距離為4 mm）。

圖3樣品的形狀變形過程

當樣品從0℃轉移到37℃（上）或37℃到0℃（下）時，樣品的形狀變形過程。 從0℃到37℃形狀轉變所需的時間約為2.8秒，而從37℃到0℃的形狀轉變約為2.6秒。

圖4樣品剛性模式引導的形狀變形和溫度響

應行為

a）、d）不同模式的示意圖；

b）~e）在37℃水中獲得的三維形狀的照片；

e）中的插圖表示在37℃下通過外力使試樣變形後獲得的穩定形狀；

c，f）在0℃水中獲得的三維形狀的照片。 比例尺：5毫米。

圖5紫外可見吸收光譜

a）樣品在不同溫度下的水中的彎曲方向；

b）在37℃的水中首先浸入不同溫度的水中樣品的彎曲方向的插圖；

c）通過在靜電紡絲基質的兩側上印刷線尺寸上進行熱致動的不可逆形成的摺疊管。

【小結】

研究團隊通過創造性地結合靜電紡絲和3D列印技術，進行快速響應形變水凝膠的設計。由於多孔結構引起的快速傳質，靜電紡絲介孔結構基底提供了快速響應，而在基底上精心設計的，通過3D列印產生的剛性圖案為水中3D結構的形成和其激響應提供了方法。該法簡單，適用於大量樣品的製備。此外，雖然實驗中選擇PNIPAm作為研究模型，但這類方法可以擴展到其他響應水凝膠。相信通過結合不同種類的響應性水凝膠或其它激活技術，可以在此框架中產生許多有趣的結果。

文獻鏈接：Combining 3D Printing with Electrospinning for Rapid Response and Enhanced Designability of Hydrogel Actuators（Adv. Funct. Mater.，2018，DOI: 10.1002/adfm.201800514）

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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