武培怡教授團隊《Adv. Sci.》: 自增強策略助力3D打印力學性能互補的離子凝膠

來源： 高分子科技

生物系統展示了豐富的原型，它們可以結合互補的性能，并在單一單元中提供多種功能。例如，蜘蛛在剛性的徑向結構絲上編織具有粘性、延展性以及半透明的橫絲 (也被稱作捕絲)，這些特性使得它們可以協同完成感知獵物、捕獲獵物以及承受獵物沖擊的任務。這些集成的性能促進了導電軟材料的發(fā)展，借助新型的3D打印技術可以將其塑造成復雜的結構，使其可以模仿生物系統的協同功能以及精細的結構。盡管多材料3D打印技術的發(fā)展可以實現對復雜生物體系的模仿，然而在一種墨水體系的設計中直接實現互補的性能在很大程度上未被探索。

武培怡教授課題組近年來基于含氟聚合物發(fā)展了系列具有優(yōu)異性能的離子凝膠或彈性體體系，例如制備疏水性的含氟離子凝膠并將其應用范圍拓展到水下環(huán)境中，實現了水下傳感、水下強粘附、水下生理信號檢測等 (Adv. Mater. 2021, 2008479; Mater. Horiz. 2021,8, 2057; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2107226.)；此外還篩選出可自發(fā)相分離的粘滯性含氟共聚物體系以實現對人體脂肪組織的仿生構筑(Adv. Mater. 2023, 35, 2209581.)

在此基礎上，武培怡教授團隊進一步發(fā)展了一種具有自增稠與自調節(jié)性能的含氟離子凝膠墨水體系，以實現離子凝膠的可打印性與可調的性能。所設計的是一種由聚離子液體(PIL)、離子液體單體(ILM)以及自由離子液體(FIL)構成的三組分打印墨水，三個組分具有相同的陰離子[TFSI]-，陽離子均為季銨鹽陽離子，確保了組分間優(yōu)異的相容性。其中PIL作為聚合物流變改性劑，ILM以及FIL作為溶劑，組分間動態(tài)交聯的特性使得墨水具有自增稠與自調節(jié)的性質。自增強指的是在打印沉積后使用紫外進行光照，引發(fā)ILM的聚合，它從溶劑轉變?yōu)樽栽鰪姷木W絡，進一步調整了離子凝膠的力學性能，此時分散介質只剩下FIL(圖1)。因此，基于相同的組分、但不同比例的墨水配方，所打印的離子凝膠表現出獨特而互補的特性。例如，它們的楊氏模量可以相差三個數量級(521.3 kPa 到 148.7MPa)，一些結構是剛性的，而另一些是具有延展性和粘性的(圖2)。

圖1. 自增強與自調節(jié)墨水的設計示意圖以及打印過程示意圖

圖2. 對相同組分、不同比例的打印結構的性能表征

借助適當的理論模型可以實現對打印分辨率的預測，同時可以指導打印參數的選擇 (圖3)。

圖3. 對墨水的流變性能以及打印參數和打印分辨率的研究

不同的墨水配方帶來截然不同但又互補的性能，作者打印了一個具有代表性的仿生蜘蛛網體系以集成互補的性能，它可以模仿了天然蜘蛛網的復雜結構（如在剛性的徑向結構絲上編織具有粘性、延展性以及半透明的橫絲）和多種功能（如捕捉、感知和耗散能量）。得益于含氟聚合物的優(yōu)異疏水特性，這一人造蜘蛛網成功實現了水陸兩用，特別是可以同步實現感知與捕獲。

圖4. 3D打印出的人造蜘蛛網在空氣中的應用

圖5. 3D打印出的人造蜘蛛網在水下實現同步感知與捕獲

上述研究成果以“3D Printing of Ionogels with Complementary Functionalities Enabled by Self-Regulating Ink”為題在線發(fā)表于期刊《Advanced Science》上。復旦大學黃佳惠博士為論文第一作者，武培怡教授為論文通訊作者。感謝國家自然科學基金委(51973035和52161135102)對該工作的資助。


原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202302891