福建農(nóng)林大學(xué)邱仁輝教授團隊在光固化3D打印軟材料領(lǐng)域取得新進展

來源：高分子科技

水凝膠是由聚合物的物理或化學(xué)交聯(lián)而形成的具有獨特三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的軟材料。由于其高度可設(shè)計的結(jié)構(gòu)和功能，水凝膠已被廣泛應(yīng)用于仿生材料、柔性可穿戴設(shè)備、軟體機器人和生物醫(yī)學(xué)組織等領(lǐng)域。近年來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，如何快速高效地制備高精度、定制化水凝膠備受關(guān)注。然而，目前大多數(shù)水凝膠的3D打印只能通過擠出式打印技術(shù)制備，這使水凝膠的打印效率和精度受到限制。

福建農(nóng)林大學(xué)邱仁輝教授團隊提出利用光固化3D打印技術(shù)快速打印高精度水凝膠的策略。水凝膠無法通過光固化3D打印的主要原因在于：水的存在增加聚合物鏈之間的分子距離，降低單體聚合速度，導(dǎo)致打印過程中無法實現(xiàn)快速的固液分離。盡管在打印油墨中添加化學(xué)交聯(lián)劑可以有效促進三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成，但化學(xué)交聯(lián)會降低水凝膠的韌性和自修復(fù)能力。因此，設(shè)計了一種基于非共價相互作用的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，通過形成物理交聯(lián)實現(xiàn)快速的固液分離。

將聚(丙烯酸(AA)-N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP))和羧甲基纖維素(CMC)通過氫鍵和金屬配位鍵等非共價作用力實現(xiàn)物理交聯(lián)，進而達到快速固液分離的目標。打印的聚(AA-NVP/CMC)水凝膠具有較高的拉伸韌性（3.38 MJ/m3）和優(yōu)異的自愈能力（應(yīng)力：81%，應(yīng)變：91%）。利用光固化3D打印的特點，高效打印了系列高精度可穿戴柔性傳感器。

圖1 光固化3D打印水凝膠策略

圖2 打印的高精度可穿戴柔性傳感器

圖3 打印并組裝的可穿戴柔性傳感器

該成果近期以“Photocurable 3D printing of hightoughness and self-healing hydrogels for customized wearable flexible sensors”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials，博士生吳宇超為論文第一作者，邱仁輝教授和劉文地教授為論文共同通訊作者。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107202

此外，團隊基于構(gòu)筑分子間非共價鍵結(jié)合的策略，突破了以可再生生物質(zhì)資源——棕櫚油為原料打印熱塑性彈性體的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)不僅為光固化3D打印熱塑性樹脂難以實現(xiàn)快速固液分離的難點提供了解決途徑，同時也為熱帶木本棕櫚油的高效利用提供一種可行的技術(shù)途徑和應(yīng)用基礎(chǔ)。

圖4 光固化3D打印棕櫚油基彈性體原理

圖5 棕櫚油基熱塑性彈性體的力學(xué)性能

相關(guān)成果以題為“H-bonds and metal-ligandcoordination-enabled manufacture of palm oil-based thermoplastic elastomers byphotocuring 3D printing”發(fā)表在3D打印領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊Additive Manufacturing。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421004280