清華新聞網(wǎng)9月22日電 水凝膠材料具有柔軟、生物相容性和對(duì)刺激的相應(yīng)性等特點(diǎn)，在柔性電子、生物醫(yī)療和可驅(qū)動(dòng)機(jī)器人等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用潛力。相比傳統(tǒng)鑄造成型的水凝膠制備工藝，通過(guò)3D打印技術(shù)可以制備出具有復(fù)雜幾何形狀的水凝膠結(jié)構(gòu)，近年來(lái)發(fā)展的一種基于數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)的可3D打印聚丙烯酰胺水凝膠具有較高的打印分辨率和高度的可拉伸特性，但模量、強(qiáng)度、斷裂能和疲勞閾值較低，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用范圍。
針對(duì)上述問(wèn)題和挑戰(zhàn)，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組向可3D打印水凝膠前驅(qū)體溶液中引入芳綸納米纖維（ANF），并在紫外線下固化，合成了由芳綸納米纖維增強(qiáng)的可3D打印水凝膠復(fù)合材料。掃描電鏡和紅外光譜表征了芳綸納米纖維和水凝膠鏈之間形成了額外交聯(lián)點(diǎn)以及大量的氫鍵，同時(shí)較長(zhǎng)的芳綸納米纖維與水凝膠鏈纏結(jié)，并由于親水性不同產(chǎn)生相分離（圖1）。力學(xué)性能測(cè)試表明，與未增強(qiáng)的水凝膠相比，僅引入0.3wt%的芳綸納米纖維使得水凝膠的模量提高約30倍，強(qiáng)度、斷裂能和疲勞閾值提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)能夠保持較高的斷裂延伸率（圖2、圖3）。芳綸納米纖維增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料的模量、強(qiáng)度和疲勞閾值的提高是由于自由基聚合過(guò)程中形成了芳綸納米纖維和水凝膠鏈的混合網(wǎng)絡(luò)，而斷裂能的提高則主要與長(zhǎng)鏈纏結(jié)和大量氫鍵的能量耗散機(jī)制有關(guān)。
圖1. 芳綸納米纖維增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料的制備與表征
圖2.芳綸納米纖維增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料的單軸拉伸和斷裂能測(cè)試
圖3.芳綸納米纖維增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料的疲勞性能測(cè)試
芳綸納米纖維增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料可以用于制備具有復(fù)雜幾何形狀的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和生物組織結(jié)構(gòu)，并具有較高的3D打印分辨率和良好的生物相容性，與其他基于DLP技術(shù)的可3D打印水凝膠相比展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和打印分辨率（圖4）。在前驅(qū)體溶液中加入電解質(zhì)可以使芳綸納米纖維增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料具有導(dǎo)電性，其電阻值隨著應(yīng)變的改變而變化，通過(guò)3D打印制備的壓力傳感器在10000周疲勞加載下能夠保持穩(wěn)定的力學(xué)性能和電學(xué)性能（圖5）。此研究為改善基于DLP的3D打印水凝膠的力學(xué)性能提供了一個(gè)普遍而有效的策略。
圖4.芳綸納米纖維增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料的3D打印、生物相容性和性能對(duì)比
圖5.芳綸納米纖維增強(qiáng)的水凝膠復(fù)合材料作為柔性電子器件的應(yīng)用
基于上述成果，李曉雁課題組近日在《今日材料》（Materials Today）上發(fā)表題為“芳綸納米纖維增強(qiáng)的強(qiáng)韌、抗疲勞的可3D打印水凝膠”（Strong, tough, fatigue-resistant and 3D-printable hydrogel composites reinforced by aramid nanofibers）的研究論文，同時(shí)取得了相應(yīng)的國(guó)家發(fā)明專利。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授和南方科技大學(xué)葛锜副教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院2020級(jí)博士研究生邢漢崢為論文第一作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生王宇嘉和2018屆博士畢業(yè)生張璇也參與了該研究工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重要研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、創(chuàng)新群體項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.020
供稿：航院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
