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  水凝膠是一種含水量較高的聚合物網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)將水凝膠與其他高分子材料快速鍵合形成水凝膠-高分子復(fù)合結(jié)構(gòu)，可起到保護(hù)、增強(qiáng)水凝膠結(jié)構(gòu)或引入新功能的作用，在生物醫(yī)療、柔性電子、軟體機(jī)器人等諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。目前研究者主要將精力集中在水凝膠與硅膠間的復(fù)合，且結(jié)構(gòu)多為簡(jiǎn)單的層狀結(jié)構(gòu)，極大地限制了其應(yīng)用。雖然基于數(shù)字光處理的3D打印技術(shù)可對(duì)各種光敏水凝膠和高分子材料進(jìn)行三維成型，但是水凝膠與其他高分子材料界面間的結(jié)合力較弱，如何在打印水凝膠-高分子復(fù)合結(jié)構(gòu)的同時(shí)增強(qiáng)不同材料間的界面結(jié)合力仍然是一個(gè)難題。

  近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系葛锜副教授課題組與浙江大學(xué)曲紹興教授課題組合作研究發(fā)現(xiàn)，利用改性水溶性光引發(fā)劑-2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦（TPO）在引發(fā)丙烯酰胺水凝膠光聚合反應(yīng)時(shí)的不完全性，使其能與包括彈性體、剛性聚合物、ABS類(lèi)樹(shù)脂、形狀記憶高分子在內(nèi)的不同（甲基）丙烯酸酯類(lèi)樹(shù)脂形成共價(jià)界面，極大地提高了水凝膠-高分子材料的界面結(jié)合力。如圖1所示，利用該團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的數(shù)字光處理技術(shù)多材料3D打印系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水凝膠-高分子高精度多材料復(fù)雜混合三維結(jié)構(gòu)的快速一體化成型。通過(guò)三個(gè)應(yīng)用案例，證明了所提出的新方法可以極大地豐富水凝膠-高分子結(jié)構(gòu)與器件的設(shè)計(jì)自由度，并對(duì)其功能和性能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的提升。

圖1. 多材料3D打印水凝膠與其他高分子材料的復(fù)合三維結(jié)構(gòu)

  利用該多材料3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多種水凝膠三維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的快速一體化成型。通過(guò)剛度增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水凝膠復(fù)合材料的模量有幾十倍甚至幾百倍的提升，如圖2所示。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)局部尺寸，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)水凝膠復(fù)合材料局部剛度的調(diào)控。

圖2. 多材料3D打印水凝膠復(fù)合材料三維結(jié)構(gòu)

  通過(guò)該技術(shù)制備的具有藥物緩釋功能的水凝膠-形狀記憶高分子（SMP）心血管支架如圖3所示。3D打印的形狀記憶高分子材料使得心血管支架在體溫37℃環(huán)境下能夠自動(dòng)展開(kāi)撐開(kāi)硬化、狹窄的心血管，而嵌入的水凝膠材料則使其具備了藥物緩釋功能。

圖3. 3D打印的具有藥物緩釋功能的形狀記憶心血管支架

  該技術(shù)還可用于多功能軟體驅(qū)動(dòng)器的快速一體化成型。如圖4所示，通過(guò)多材料3D打印離子導(dǎo)電水凝膠與光敏彈性體可將應(yīng)變傳感功能賦予軟體驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)-傳感快速一體化成型。

圖4. 3D打印的具有應(yīng)力傳感功能的軟體驅(qū)動(dòng)器

  該項(xiàng)研究拓寬了水凝膠-高分子材料復(fù)合結(jié)構(gòu)成型方法和能力，在開(kāi)發(fā)新型多功能軟體器件方面具有較大應(yīng)用潛力。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Science Advances上，并被雜志封面重點(diǎn)報(bào)道，DOI: 10.1126/sciadv.aba4261。南方科技大學(xué)為本論文第一單位，南方科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和浙江大學(xué)為本文共同通訊單位。該項(xiàng)研究得到廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

  文章鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/2/eaba4261