西安交大提出软结构复合3D打印中的强韧粘接技术

　　近日，从西安交通大学获悉，该校机械结构强度与振动国家重点实验室、航天航空学院软机器实验室研究人员与美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授合作提出一种软结构3D打印的强韧粘接技术，实现了具有超强界面粘接的水凝胶/弹性体亲疏水异质结构的打印。

　　亲疏水复合结构在自然界中广泛存在，如植物表层、细胞膜、神经轴突等。近年来，基于水凝胶/弹性体的人造亲疏水软结构取得了明显进展，然而其构造仍较为简单，无法媲美天然结构的复杂构造。作为快速成型技术，3D打印可用于复杂软结构的制备，不过面临着一大挑战：多材料打印结构的界面粘接性能极差。这种异质材料的结合使细胞得以传递生物电信号，演化出纷繁复杂的生命系统。近年来，基于水凝胶-弹性体的亲疏水结构取得明显进展，在可拉伸电子、软体机器人、摩擦发电机等领域有着广泛的应用前景。3D打印技术的引入将使得这一领域在制备技术上得到进一步的提升。然而，现有的亲疏水结构在打印过程中尚且不能满足以下基本要求：以任意顺序打印具有良好粘接性能的水凝胶/弹性体复合结构。

　　针对此问题，哈佛大学锁志刚教授课题组与西安交通大学航天航空学院软机器实验室提出一种软结构3D打印的强韧粘接技术，实现了具有超强界面粘接的水凝胶/弹性体亲疏水异质结构的打印。研究人员将联接引发剂溶于弹性体材料中，分别调节弹性体预聚液和水凝胶预聚液的粘度，将两者以任意顺序3D打印在一起，然后引发聚合反应，形成具有强韧粘接的水凝胶/弹性体复合体。该方法不同于常用的表面改性，采用本体改性的策略，可为可拉伸器件、软机器制备以及其它异质材料的复合3D打印提供一种通用的解决方法。

　　如图所示，研究人员分别制备了水凝胶和弹性体预聚体，并在弹性体内掺杂联接引发剂，通过3D打印方式使两者接触在一起，紫外引发交联后形成粘接良好的复合体。此处，研究人员以微球增强的双网络水凝胶、商用硅胶Ecoflex分别代表亲疏水材料，以二苯甲酮作为联接引发剂证明此方法的可行性。打印试样的粘接能可达5000 J/m2 以上。

　　西安交大领衔的科研人员课题组将联接引发剂溶于弹性体材料中，分别调节弹性体预聚液和水凝胶预聚液的粘度，将两者以任意顺序打印在一起，然后引发聚合反应，形成具有强韧粘接的水凝胶/弹性体复合体。不同于常规的表面改性，采用本体改性的策略，打印试样的粘接能可达5000 J/m2 以上。该研究成果近日在国际权威期刊《先进功能材料》上发表。

　　研究人员分别打印了有粘接、无粘接复合栅格结构并对其进行压缩。有粘接的试样经受巨大压缩仍不破坏(a);而未采取粘接策略的试样完全不能承载(b)。打印的复合蜂巢结构即使在经历了70%压缩应变后，仍能弹性回复(c)。在对复合打印的试样拉伸和溶胀过程中，微球增强的水凝胶保持良好的力学性质(d，f);而使用普通的PNaNAPS凝胶则发生拉伸断裂和溶胀断裂(e，g)。由此可见，形成稳定的亲疏水结构既需要良好的粘接，也需要强韧的基体材料。 

　　采用联接引发剂策略实现的复合打印异质材料间粘接良好。水凝胶，弹性体，打印的复合体都具有良好的拉伸性能(a)，水凝胶的断裂能高达10000 J/m2 (b)在引发剂掺加量仅0.5wt%时，复合体的界面已经强于基体材料，断裂发生在凝胶中而非界面(c-d)，超过5000 J/m2。粘接性能随引发剂含量的变化(e-f)，掺加量仅0.2wt %，仍能实现超过1000 J/m2 的粘接能。

　　该方法是解决3D打印软结构粘接问题的通用方法，适用于多种水凝胶和弹性体，适用于光引发和热引发策略，适用于其他的制备过程(如浸渍涂敷，dip coating)，在软器件的快速成型方面具有明显的优势。

　　该研究工作发表于Advanced Functional Materials。西安交通大学研究生杨航、李成海、杨孟为共同第一作者。西安交通大学青年教师唐敬达，哈佛大学、美国工程院院士锁志刚教授为论文共同通讯作者。佐治亚理工齐航教授为合作作者。

　　据介绍，此方适用于多种水凝胶和弹性体，光引发和热引发策略，也适用于其他的制备过程(如浸渍涂敷，dip coating)，为软结构的3D打印提供了一种通用的解决方案，在可拉伸器件、软机器等领域具有良好的应用前景。