中科院、西北民族大学《AM》：二甲基亚砜介导的高保真水凝胶3D打印(2)
时间：2024-08-24 09:54 来源：GK绿钥生物科技 作者：admin 阅读：次
为了研究凝胶的抗脱水机理，系统地考察了不同溶剂配比下打印凝胶的溶剂蒸发行为（图3）。研究发现，随着DMSO含量的增加，抗脱水性能显著改善。尤其是在空气中暴露48小时后，含有较高比例DMSO的凝胶表现出较低的蒸发率，从而确保3D打印过程中结构的高保真度和精度。此外，流变测试表明DMSO的加入不仅提高了凝胶的抗脱水性能，还提升了其机械性能和温度响应性能。
图3 还原光聚合3D打印凝胶的抗脱水性能
为了观察3D打印过程中水凝胶因水分蒸发导致的形状变化，设计并制造了一个圆锥阵列结构（图4）。研究发现，使用纯水溶剂的水凝胶在暴露1小时后开始变形，5小时后发生显著收缩，导致严重的结构变形。而含有DMSO的水凝胶在暴露5小时后能够保持其形状，表明DMSO的加入改善了水凝胶的抗脱水性能，但过高的DMSO浓度可能会影响水凝胶的制造性能。最终确定了DMSO:H2O=3:7的溶剂比例在3D打印中具有最佳的制造性能、出色的抗脱水性能和高保真度。
图4 圆锥阵列结构暴露在空气中不同时间的照片
通过将凝胶浸泡在金属离子溶液中并进行去离子水透析，成功转化为具有高含水量的水凝胶。不同溶剂比例的水凝胶含水量超过70%，这种高含水量的水凝胶在生物医学和深海智能设备中具有广泛的应用前景。通过金属离子配位和水透析过程，大大增强了水凝胶的机械性能。实验表明，单纯化学交联网络的凝胶机械性能较差，但通过金属离子配位策略改善了这些性能，得到了一种新的R-水凝胶，其抗拉强度和杨氏模量显著提高。这归因于R-水凝胶通过金属离子配位形成了物理化学双重交联网络（图5）。
图5 凝胶和R-水凝胶的结构表征和力学性能。
通过控制溶剂交换和水溶液平衡，实现了从凝胶到水凝胶的转变，最终构建的水凝胶模型在复杂结构的设计和制造中表现出卓越的尺寸精度和保真度。此外，通过溶剂替代和去离子水透析制备的R-水凝胶在水中30天内的尺寸变化可忽略不计，展现了极高的稳定性（图6）。
图6 还原光聚合3D打印水凝胶的高保真结构构造演示
水凝胶的优异的保真度为设计和制造复杂的水凝胶设备提供了新可能，尤其在医学工程领域有着广泛应用前景。通过细胞毒性测试证实了水凝胶在人体生理环境中的潜在应用价值，表现出良好的生物相容性。控制不同金属离子和单体类型，可以制造出具有优良尺寸精度和保真度的水凝胶结构，为水凝胶在生物医学、组织工程、软体机器人和仿生粘附装置等领域的应用开辟了新的可能性（图7）。
图7 还原光聚合3D打印水凝胶的高保真结构构造演示
结论：本文开发了一种通过溶剂调节和水透析实现高保真度光聚合3D打印水凝胶的新策略。利用DMSO的强氢键作用，凝胶在3D打印过程中展现出优异的抗干燥和抗冻性能，并转化为具有良好保真度和机械性能的水凝胶。此外，通过调整离子配位和水透析时间，可以调节水凝胶的机械性能，为定制化功能设备的制备提供了支持。这一策略适用于多种水凝胶系统，拓宽了其在生物医学、水下机器人、柔性皮肤等领域的应用前景。
文章来源：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104346
(责任编辑：admin)
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