蘭州化物所：3D打印強韌濕滑水凝膠材料與功能器件研究取得系列進展

來源： 中科院蘭州化物所

人工合成水凝膠因兼具固體和液體的優(yōu)異性質(zhì)，在生物醫(yī)學、潤滑涂層、智能傳感、柔性電子、驅(qū)動變形等領域受到廣泛關注。然而，實現(xiàn)水凝膠材料在機械性能和功能結(jié)構化制造之間取得良好平衡仍然是一項艱巨任務。近期，中國科學院蘭州化物所固體潤滑國家重點實驗室3D打印摩擦器件研究團隊在3D打印高性能濕滑水凝膠材料與功能器件研究方面取得了系列進展。

該團隊在前期直書寫3D打印高強韌水凝膠基礎上（Biomaterials Science,2019, 7, 1805-1814；Chemistry of Materials,2020,32,9983-9995），近期采用仿生氫鍵工程策略，引入應變誘導微相分離機制實現(xiàn)了高精度光固化3D打印超強韌水凝膠（Advanced Functional Materials,2022,2210395）（圖1）。相關材料與技術已獲2件中國發(fā)明專利授權（ZL 201810541767.3；ZL 202111591052.7）。

圖1. 仿生氫鍵工程策略構筑的光固化3D打印超強韌水凝膠

研究人員利用自主搭建的灰度光固化3D打印裝置（ACS Applied Materials & Interfaces,2019,11,42586-42593），通過在單一水凝膠材料體系中于分子尺度上的交聯(lián)調(diào)控，實現(xiàn)了因溶脹誘導的局部應力差導致的可控變形（Advanced Materials Technologies,2021,7,2101288）（圖2）。相關技術已獲中國發(fā)明專利授權（ZL 201910509477.5）。

圖2. 灰度3D打印可控變形水凝膠仿生結(jié)構

利用水凝膠優(yōu)異的水潤滑性能和3D打印技術的個性化制造優(yōu)勢，該團隊近期發(fā)展了水凝膠動脈三尖瓣膜、用于狹窄病變組織器官的水凝膠支架（Chemistry of Materials,2022,34,6129-6141）、濕滑水凝膠仿生軟組織器官模型（Advanced Functional Materials, 2022,32,2108845）和潤滑載藥功能一體化水凝膠隱形眼鏡（Small,2023,2206819）等多種功能性的水凝膠器件，為濕滑水凝膠在仿真器官模型、生物醫(yī)療器械等應用提供了材料技術（圖3）。相關材料與技術已獲2件中國發(fā)明專利授權（ZL 202110635655.6；ZL 202110635657.5）。

圖3. 3D打印濕滑水凝膠生物醫(yī)療器械和功能器件

另外，該團隊采用高精度3D打印構筑的水凝膠仿章魚吸盤結(jié)構在水下粘附方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能（Chemical Engineering Journal，2023，141268）（圖4），結(jié)合3D打印導電離子水凝膠良好的應力傳感性（Journal of Materials Chemistry C,2022,10,14288-14295），為3D打印水凝膠在仿生驅(qū)動、健康監(jiān)測和柔性機器人等領域的應用提供了一定的材料技術基礎。相關材料與技術已獲2件中國發(fā)明專利授權（ZL 202110635657.5；ZL 202110635655.6）。

圖4. 3D打印的水凝膠仿生粘附吸盤及智能抓取器

上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、中國科學院“西部之光”交叉創(chuàng)新團隊項目、甘肅省科技計劃項目等的支持。