福建農林大學劉文地、邱仁輝：利用高韌性水凝膠3D打印定制可穿戴柔性傳感器

來源： EFL生物3D打印與生物制造

隨著3D打印技術的發(fā)展，如何高效制造高精度、定制化水凝膠結構備受關注。然而，目前大多數水凝膠只能通過擠出式打印技術進行三維制造，這使水凝膠的打印效率和精度受到了限制。另一方面，在光固化打印過程中，水凝膠中固有的水分會降低單體聚合速度，導致已固化的水凝膠無法實現快速的固液分離，從而增加了光固化制造水凝膠三維結構的難度。

近期，來自福建農林大學的劉文地、邱仁輝合作提出了一種利用投影式光固化技術快速打印高精度水凝膠的策略，該研究通過設計一種基于非共價相互作用的互穿網絡水凝膠來形成物理交聯，從而為打印過程提供快速的固液分離。相關論文“Photocurable 3D Printing of High Toughness and Self-Healing Hydrogels for Customized Wearable Flexible Sensors”發(fā)表在“Advanced Functional Materials”雜志上。

首先，研究人員將聚（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鍵作用力實現物理交聯（圖1），從而實現打印過程中的快速固液分離。

圖1 光固化3D打印水凝膠策略

其次，研究人員探究了CMC和NVP-AA的重量比和含水量的不同對水凝膠機械性能的影響（圖2），發(fā)現CMC與NVP-AA重量比為0.8 %時水凝膠拉伸韌性最高，凝膠含水量為40 wt%時分離度和拉伸韌性最優(yōu)。

圖2 互滲透網絡水凝膠的機理與性能

研究人員通過投影式光固化技術構建了一些具有較高分辨率、形狀可設計且能夠保持高拉伸韌性、自修復能力的樣品（圖3），進一步證明水凝膠的性能，從而確認了墨水的最佳設計配方。

圖3 水凝膠打印樣品

接著，研究人員評估了拉伸應變?yōu)?0%、20%和40%情況下水凝膠的傳感性能（圖4），在相同應變下觀察到其電阻響應具有很高的再現性，并且隨著拉伸應變的增加，電阻響應的幅度也逐漸增加。通過循環(huán)拉伸應變測試觀察到水凝膠電阻響應幾乎保持不變，證明了水凝膠傳感器具有良好的穩(wěn)定性和可重復響應性。

圖4 水凝膠傳感器的拉伸應變測試

最后，研究人員利用投影式光固化技術對該水凝膠進行了打印制造，構建了可適應復雜人體結構的柔性傳感器（圖5），并定制了具有不同電阻響應的柔性傳感器部件以用于組裝更復雜的穿戴設備（圖6），實驗結果證明了3D打印技術的用于可穿戴設備的可設計性。

圖5 3D打印可穿戴的柔性傳感器

圖6 打印并組裝的可穿戴柔性傳感器

綜上所述，該文章利用物理交聯取代共價鍵和互穿網絡，并采用投影式光固化技術成功地打印出具了有高韌性、自愈合能力且快速應變響應的水凝膠結構，最終使用該水凝膠成功定制了可穿戴機械手，該方法是投影式光固化技術首次用于制造柔性水凝膠傳感器的成功案例，該水凝膠在柔性可穿戴傳感器中具有巨大的應用潛力。

參考文獻
Yuchao Wu,Yong Zeng,Yizhen Chen,Chao Li,Renhui Qiu,Wendi Liu. Photocurable 3D Printing of High Toughness and Self-Healing Hydrogels for Customized Wearable Flexible Sensors. Advanced Functional Materials
https://doi.org/10.1002/adfm.202107202