電極集成 4D 打印賦能水凝膠形狀變形：仿生致動器的關鍵突破

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當前，刺激響應水凝膠因固有各向同性體積變化，在軟致動器應用中面臨功能局限，傳統雙層結構、電泳沉積及光掩模等方法存在非必要驅動和分辨率不足等問題。吉林大學周雪莉教授與王振國教授團隊提出電極集成4D打印策略，通過全局鈍化和局部激活機制，在熱響應水凝膠中實現空間可編程驅動。團隊將卡波姆微凝膠引入聚(N-異丙基丙烯酰胺-共-丙烯酰胺)基質，抑制全局熱響應，結合圖案化電極釋放金屬離子（如Cu²⁺）激活目標區(qū)域下臨界溶液溫度效應，實現高分辨率各向異性變形。該方法制備的水凝膠致動器可模擬植物卷須彎曲、水母推進等生物行為，還能用于熱響應閥門和仿生軟機器人。相關工作以“Electrode-integrated 4D printing enables hydrogel shape morphing: A critical breakthrough for bio-inspired actuators”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。

研究要點
1. 電極集成4D打印策略：通過全局鈍化和局部激活，實現熱響應水凝膠空間可編程驅動。
2. 材料體系設計：卡波姆微凝膠與P(NIPAM-co-AAM)基質結合，抑制全局熱響應。
3. 局部激活機制：電極釋放金屬離子（如Cu²⁺），激活目標區(qū)域LCST效應，實現 anisotropic變形。
4. 電極參數影響：寬度、電壓等參數調控變形，3mm寬度、10V電壓為優(yōu)化條件。
5. 生物啟發(fā)致動器：模擬植物卷須、水母等運動，實現2D到3D形狀轉換。
6. 實際應用案例：制備熱響應閥門、仿生軟機器人，驗證在流體控制和移動場景應用。
文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165268