【文章概述】
水凝胶是由聚合物的物理或化学交联而形成的具有独特三维网络结构的软材料。由于其高度可设计的结构和功能,水凝胶已被广泛应用于仿生材料、柔性可穿戴设备、软机器人和生物医学组织。近年来,随着先进3D打印技术的发展,快速高效制备功能性、高分辨率、定制化水凝胶备已经可以实现。但是目前,大多数定制水凝胶只能通过基于挤出的3D打印技术进行加工,这就受到打印效率和分辨率的限制。所以在很多应用领域的发展受限,尤其是柔性可穿戴传感器。
【成果简介】
福建农林大学邱仁辉教授团队开发了一种可以快速制备可定制水凝胶的光固化3D打印技术策略。利用非共价相互作用的互穿网络水凝胶形成物理交联,提供快速固液分离。将聚(丙烯酸(AA)-N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP))和羧甲基纤维素(CMC)通过Zn2+-配体配位和氢键进行交联反应,聚(AA-NVP/CMC)水凝胶表现出高拉伸韧性(3.38 MJ m-3)和优异的自愈能力(愈合应力:81%;愈合应变:91%)。通过光固化3D打印可以定制各种复杂的物体,这种高性能水凝胶在柔性可穿戴传感器中具有巨大的应用潜力。
【图文导图】
图1 (a)CMC与NVP-AA不同质量比水凝胶的应力应变曲线(0.4 1.0%)。
(b)实时ATR-FTIR测定CMC/NVP-AA油墨随时间变化含水量的C-C键转换。
(c)不同含水量水凝胶的应力应变曲线。
(d)含40 wt.%水凝胶(Gel 40)的循环拉伸曲线。
(e)Gel 40在循环拉伸曲线中的能量耗散。
(f)切割凝胶40自愈24 h后的应力应变曲线。
(g)Gel 40的自愈过程。
图2(a-c)打印的水凝胶物体的照片。
(d-i)打印水凝胶的SEM图像。
图3 (a)水凝胶传感器在不同拉伸应变下的电阻响应曲线。
(b)电阻响应灵敏度。
(c)水凝胶传感器在40%循环拉伸应变下100次循环的响应稳定性。
(d)第90~95个周期的电阻响应放大。
图4可穿戴设备定制。
(a-c)指套,指节和通过3D打印的机械手柔性传感器。
(d-f)指套,指节和机械手柔性传感器在手指弯曲不同角度时的阻力响应。
(g)手写体书写功能和电阻响应。
图5用不同电阻响应的印刷小零件组装复杂物体。
(a)不同含水量的印刷件。
(b)复杂机械手的装配过程。
(c)装配机械手柔性传感器对手指弯曲的阻力响应。
(d)通过装配机械手的阻力响应来监测手势。
【奇材馆点评】
本论文的作者采用用物理交联取代共价键,形成互穿网络,可通过光固化3D打印技术打印的具有高韧性,自修复能力和敏感的应变电阻响应的水凝胶。这是首次光固化3D打印定制的柔性水凝胶传感器,在柔性可穿戴设备领域有很大的影响。期待后续光固化3D打印的发展!
【论文信息】
Photocurable 3D Printing of High Toughness and Self-Healing Hydrogels for Customized Wearable Flexible Sensors |
Advanced Functional Materials:(IF= 16.723) |
Pub Date :2021.09.23 |
https://doi.org/10.1002/adfm.202107202 |
Yuchao Wu,Yong Zeng,Yizhen Chen,Chao Li,Renhui Qiu,Wendi Liu, |
College of Transportation and Civil Engineering Fujian Agriculture and Forestry University Fuzhou 350108, P. R. China |
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