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3D打印与静电纺丝相结合,实现快速响应和增强水凝胶致动器的可设计性

导读: 多孔结构已成为形状变形水凝胶实现快速响应的重要突破。然而,通常这些多孔致动器所获得的3D形状单调而单一。本文通过结合“静电纺丝”和“3D打印”两种技术,开发了一种简单而通用的方法,可以生成具有快速变形和性能增强的3D设计性可变形水凝胶。

引言

多孔结构已成为形状变形水凝胶实现快速响应的重要突破。然而,通常这些多孔致动器所获得的3D形状单调而单一。本文通过结合“静电纺丝”和“3D打印”两种技术,开发了一种简单而通用的方法,可以生成具有快速变形和性能增强的3D设计性可变形水凝胶。在有介孔结构的电纺膜上通过刺激响应,调节由膨胀/收缩引起的平面及层间内应力,从而指导电纺膜的变形行为以适应环境的变化。通过该法,一系列快速变形的水凝胶致动器拥有了各种独特的响应行为,包括3D结构的可逆/不可逆形成,3D管的折叠以及具有多低能态的3D结构的形成。值得注意的是,虽然聚(N-异丙基丙烯酰胺)被选为本研究的模型系统,该法同样适用于其他刺激响应水凝胶,这丰富了快速变形水凝胶致动器的应用前景。

成果简介

近日,浙江大学的计剑教授和德国拜罗伊特大学的Seema Agarwal(共同通讯)在Adv. Funct. Mater.上发表了一篇题为“Combining 3D Printing with Electrospinning for Rapid Response and Enhanced Designability of Hydrogel Actuators” 的文章。该文章介绍了利用介孔结构电纺丝热响应聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)膜作为具有多孔结构的形态发生基底,确保水的温度在低于和低于其临界溶解温度(LCST)的温度变化时快速吸收和解吸。通过3D打印机在PNIPAm膜上打印不同的刚性PNIPAm /粘土图案。虽然PNIPAm /粘土复合材料与电纺膜相比表现的响应性比较不明显,但它对指导形成控制基材形状转变的内部应力具有特别作用。PNIPAm作为模型系统,是一种适用于众多其他响应型水凝胶的普适性方法。与其他图案化技术相比,作为计算机辅助的3D打印技术既提供对结构和成分的精确控制,又提供出色的可设计性。该法创造性地融合静电纺丝和3D打印的优势,在提高获得的3D形状的复杂性的同时增强设计性,提供快速变形,简单易行。

图文导读

图1 通过静电纺丝制备PNIPAm执行器示意图

3D打印与静电纺丝相结合,实现快速响应和增强水凝胶致动器的可设计性

a)UV交联;

b)3D打印辅助图案化;

c)最简单图案的准备样品的示意图。

图2 样品示意图及其内部应力测试

3D打印与静电纺丝相结合,实现快速响应和增强水凝胶致动器的可设计性

a)准备样品的示意图;

b)所制备样品的可逆形状转变;

c)在37℃下由膨胀失配引起的面内内应力(向上)和层间内应力(向下)的示意图。 红色箭头:作用于印刷线上的应力; 黑色箭头:作用于静电纺丝(NIPAm-ABP)膜上的应力;

d)在37℃下在水中弯曲的电纺膜;

e)随着印刷线之间距离的增加,37℃时的曲率变化;

f)样品在水中的温度响应性(相邻印刷线之间的距离为6mm);

g)升温/降温周期中形状转变的可重复性(相邻印刷线之间的距离为4 mm)。

图3样品的形状变形过程

3D打印与静电纺丝相结合,实现快速响应和增强水凝胶致动器的可设计性

当样品从0℃转移到37℃(上)或37℃到0℃(下)时,样品的形状变形过程。 从0℃到37℃形状转变所需的时间约为2.8秒,而从37℃到0℃的形状转变约为2.6秒。

图4样品刚性模式引导的形状变形和温度响应行为

3D打印与静电纺丝相结合,实现快速响应和增强水凝胶致动器的可设计性

a)、d)不同模式的示意图;

b)~e)在37℃水中获得的三维形状的照片;

e)中的插图表示在37℃下通过外力使试样变形后获得的稳定形状;

c,f)在0℃水中获得的三维形状的照片。 比例尺:5毫米。

图5 紫外可见吸收光谱

3D打印与静电纺丝相结合,实现快速响应和增强水凝胶致动器的可设计性

a)样品在不同温度下的水中的弯曲方向;

b)在37℃的水中首先浸入不同温度的水中样品的弯曲方向的插图;

c)通过在静电纺丝基质的两侧上印刷线尺寸上进行热致动的不可逆形成的折叠管。

小结

研究团队通过创造性地结合静电纺丝和3D打印技术,进行快速响应形变水凝胶的设计。由于多孔结构引起的快速传质,静电纺丝介孔结构基底提供了快速响应,而在基底上精心设计的,通过3D打印产生的刚性图案为水中3D结构的形成和其激响应提供了方法。该法简单,适用于大量样品的制备。此外,虽然实验中选择PNIPAm作为研究模型,但这类方法可以扩展到其他响应水凝胶。相信通过结合不同种类的响应性水凝胶或其它激活技术,可以在此框架中产生许多有趣的结果。

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