《Nature Communications》：3D打印復合水凝膠

來源 : EFL生物3D打印與生物制造  

水凝膠是一種能保持大量水分的3D聚合物網(wǎng)絡,，但傳統(tǒng)的水凝膠交聯(lián)有限，聚合物網(wǎng)絡松散,，相對脆弱,，難以滿足實際應用的要求。為提高水凝膠的強度和韌性等機械性能,，人們通過引入微米級和納米級填料來配制復合水凝膠,，這些填料包括 MXene、氧化石墨烯,、碳納米管（CNT）和聚合物纖維。陶瓷也是一種容易獲得且成本效益高的增強材料,，具有出色的剛度,、強度和化學穩(wěn)定性,。制造復合水凝膠可有效提高傳統(tǒng)水凝膠的機械和功能特性,。雖然陶瓷增強在許多硬生物組織中很常見,，但陶瓷增強水凝膠卻缺乏類似的生物吸附天然材料。這就提出了一個關鍵問題：在不模仿特定成分和結構的情況下,，如何在復合水凝膠中實現(xiàn)生物啟發(fā)機械機制,？

來自新加坡國立大學的Wei Zhai團隊總結了天然材料的分層復合設計原理,，提出了陶瓷增強有機水凝膠的分層制造策略，其特點是：（1）通過直接墨水寫入打印對齊陶瓷小板,；（2）通過溶液置換增強聚乙烯醇有機水凝膠基質,；（3）硅烷處理的小板-基質界面,。通過多尺度協(xié)同消能，單元細絲被進一步打印成精選的生物啟發(fā)宏觀架構,，從而實現(xiàn)了高剛度,、高強度和高韌性（斷裂能高達 31.1 kJ/m2）,。這種材料還具有寬操作容差和導電性,，適用于機械要求苛刻條件下的柔性電子器件。因此,，本研究展示了一種模型策略,，它擴展了天然材料的基本設計原理，以制造具有協(xié)同機械和功能增強的復合水凝膠,。相關工作以題為“3D printable strong and tough composite organo-hydrogels inspired by natural hierarchical composite design principles”的文章發(fā)表在2024年04月15日的國際頂級期刊《Nature Communications》,。

1. 創(chuàng)新型研究內(nèi)容
本研究利用天然材料的基本設計原理，提出了一種分層制造策略,，以實現(xiàn)強韌的陶瓷增強有機水凝膠,。復合有機水凝膠由以下部分組成：（1）通過 DIW 3D 打印技術排列的厚度約為 200 nm 的陶瓷小板,；（2）通過溶液置換技術增強的高結晶聚乙烯醇（PVA）有機水凝膠基質；以及（3）通過對陶瓷小板進行硅烷表面處理增強的陶瓷-聚合物界面,。以排列整齊的陶瓷小板為基本構件的細絲被進一步3D打印成精選的生物啟發(fā)宏觀架構,。通過分層制造策略，復合有機水凝膠表現(xiàn)出了高剛度,、高強度和高韌性,，這是通過受天然材料啟發(fā)的有效增韌機制和多尺度能量耗散協(xié)同作用實現(xiàn)的。此外,，考慮到陶瓷小板和 PVA 基質都缺乏固有功能,，本研究的策略同時賦予了復合有機水凝膠優(yōu)異的操作耐受性（通過在甘油-水溶液中進行替代）和導電性（通過鎂熱還原陶瓷小板并在替代溶液中加入鐵離子）。復合有機水凝膠具有更強的機械和功能特性,，可應用于各種對機械性能要求較高的領域,，包括本研究中展示的柔性電子產(chǎn)品。

【復合有機水凝膠絲的制作與性能】
圖 1a 展示了復合有機水凝膠的制造過程,。該過程首先是對陶瓷填料進行改性,，通過鎂熱還原工藝處理氧化鋁平板上的二氧化鈦涂層，在陶瓷氧化物中產(chǎn)生氧空位并賦予其導電性,。X 射線光電子能譜（XPS）顯示,，鎂熱還原發(fā)生在平板的二氧化鈦涂層上，從而在導電陶瓷平板中形成了  Ti3+（峰值在 456.5 eV 和 461.6 eV 處）和  Ti4+（峰值在 458.5 eV 和 464.2 eV 處）,。為增強陶瓷片與水凝膠基質的界面,，本研究用硅烷偶聯(lián)劑（3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES））對陶瓷片進行了修飾,。隨后，通過將預處理過的導電陶瓷片混入含有少量卡波姆膠體（Carbomer colloids）作為流變修飾劑的 PVA 溶液中,，制備了可3D打印的墨水,。陶瓷片和堆疊的卡波姆微凝膠在復合油墨中形成了堅硬的凝膠結構，從而產(chǎn)生了適合 DIW 3D打印的粘彈性能（圖 1b）,。粘度,、存儲模量和屈服應力也隨著陶瓷含量的增加而增加。先前的研究表明,，通過 DIW 3D 打印,，陶瓷微粒會在打印噴嘴的擠出剪切力作用下排列，而增加噴嘴長度可改善微粒排列,。圖 1c 和 d 比較了分別通過短錐形噴嘴和 35 毫米長圓柱形噴嘴擠出的長絲中陶瓷微粒的取向分布,，這是由它們的計算機斷層掃描（CT）確定的。通過長圓柱形噴嘴,，在較低的角度范圍（0-10°）內(nèi)發(fā)現(xiàn)了相當大比例的陶瓷微粒,，這表明它們有效地排列在一起。圖 1e,、f 還顯示了對齊陶瓷含量為 5 wt.%（CHF-5）的長絲的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像,。這種排列方式形成了一種同心層狀微觀結構，與 Euplectella aspergillum 的刺絲結構相似,。

圖1 DIW 3D打印復合有機水凝膠絲

【DIW 3D打印具有生物啟發(fā)宏觀結構的復合有機水凝膠】
利用 DIW 3D打印的設計自由度,，復合有機水凝膠絲可以很容易地組裝成基本構件，從而構建出自由形態(tài)的生物啟發(fā)架構,。這一過程將微觀尺度的增強絲與宏觀尺度的結構設計相結合,，模仿了天然材料的分層組織。為證明這一點,，本研究從天然強韌材料中汲取靈感,，選擇了單向排列、Bouligand和交叉層狀結構（圖 2a-c）,。首先,，由于皮質骨的骨質中也存在同心層狀微結構，因此直觀的設計是通過單向 3D 打印絲來模仿它們的排列方式,。圖 2a 展示了麋鹿的鹿角皮質骨的斷裂面,，其骨質排列提供了鹿角長度方向上的高剛度和強度，并產(chǎn)生了高度各向異性的機械特性,。另一個例子是 Bouligand 結構（圖 2b）,，這是一種扭曲的膠合板模式，廣泛存在于節(jié)肢動物的外骨骼中,，具有面內(nèi)機械各向同性和更強的斷裂韌性,。交叉層狀結構也是一種生物啟發(fā)結構,，具有極佳的韌性，其特點是排列方向的變化和相鄰層間的交錯排列（圖 2c）,。在這些生物材料的基礎上,，通過 DIW 3D打印的精確材料沉積，打印出了圖 2a-c II 所設計的填充圖案的復合有機水凝膠（圖 2a-c III）,。

由于具有不同的生物啟發(fā)宏觀結構,，3D打印的復合有機水凝膠也顯示出不同的力學行為。圖 2a-c IV 比較了復合有機水凝膠在兩個法向拉伸加載時的代表性應力-應變曲線,。圖 2d-f 比較了它們在拉伸強度,、楊氏模量和斷裂應變方面的力學各向同性。其中,，單向排列的樣品各向異性最大,，因為它們在沿單絲排列方向拉伸時表現(xiàn)出最高的模量和強度，但在法線方向上的強度,、模量和應變卻顯著降低,。在 Bouligand 樣品中，長絲以恒定的 θ = 30° 跨層旋轉,，因此不在任何特定方向上排列（圖 2b）,。這種排列方式導致了面內(nèi)各向同性，在兩個法線方向加載時,，其拉伸性能沒有明顯差異。交叉層狀結構的人字形絲交替彎曲（圖 2c）,，其各向異性也較小,，兩個加載方向之間的模量和應變差異遠小于單向排列的結構。這些結果表明,，具有生物啟發(fā)宏觀結構的復合有機水凝膠的面內(nèi)機械各向同性與其天然原型非常相似,。

圖2 具有不同生物啟發(fā)宏觀結構的復合有機水凝膠的 DIW 3D打印和拉伸性能

【增強斷裂韌性和多尺度機械消能】
由于上述生物啟發(fā)結構（如布利甘結構和交叉層狀結構）的增韌效果也是眾所周知的，因此本研究進一步探究了復合有機水凝膠的斷裂韌性,。在復合有機水凝膠上進行了純剪切試驗,，方法是在它們顯示出更強拉伸特性的方向上引入一個法線缺口（圖 3a-c）。圖 3d 顯示了預缺口 PVA 有機水凝膠和具有不同宏觀結構的復合有機水凝膠的代表性應力-應變曲線,，圖 3e 比較了它們的斷裂能,。溶液替代后，3D 打印的純 PVA 有機水凝膠的斷裂能已達到 7.3 kJ/m2,，而單向排列的復合有機水凝膠的斷裂能增加了約三倍（20.3 kJ/m2）,。這種改善歸因于排列整齊的細絲和小板的剛化和強化效應，以及同心層狀微結構的裂紋銷釘和偏轉效應,。在 Bouligand 結構中,，斷裂能進一步增加到 26.1 kJ/m2,，其中旋轉的細絲導致了有效的裂紋釘扎和裂紋偏轉機制，從而延遲和偏轉了裂紋的擴展（圖 3b,、f）,。這也增加了裂紋擴展過程中的能量耗散，從斷裂表面觀察到的裂紋路徑更加曲折（圖 3b）,。值得注意的是,，交叉層狀樣品的斷裂能最高，達到 31.1 kJ/m2,。雖然也觀察到了一些裂紋偏轉（圖 3c）,，但交叉薄片結構導致了更突出的裂紋釘扎效應，裂紋擴展明顯延遲和減緩（圖 3f）,。由于交錯的細絲排列,，它可以抵抗裂紋擴展，同時通過拉伸人字形細絲來耗散能量,，從而顯著提高了斷裂韌性,。因此，這些結果表明,，通過3D打印生物啟發(fā)宏觀架構,，本研究的策略可以將天然材料的增韌機制轉化為復合有機水凝膠，從而有效提高其斷裂韌性,。

圖3 具有不同生物啟發(fā)宏觀結構的3D打印復合有機水凝膠的斷裂韌性及其多尺度消能機制

【電氣傳感能力和寬工作容差】
除了具有堅固的機械性能外,，本研究的分層制造策略還在復合有機水凝膠中集成了多功能性，包括導電性,、應變傳感能力和寬操作耐受性,，以提高其實際應用性。導電性是通過鎂熱還原陶瓷小板并將其置換到離子溶液中實現(xiàn)的,。當替代溶液中含有 2 wt.% 的  FeCl3 時,，純 PVA 有機水凝膠的電導率為 5.1 S/m，當陶瓷含量僅為 5 wt.% 時,，復合有機水凝膠的電導率進一步提高到 7.1 S/m,，當陶瓷含量為 10 wt.% 時，電導率高達 8.8 S/m,。這些數(shù)值高于傳統(tǒng)離子導電水凝膠的電導率,，后者大多低于 5 S/m，而且只需添加少量陶瓷片就能提高電導率,。這表明導電陶瓷片能有效促進復合有機水凝膠中 Fe3+ 和 Cl-的離子傳輸,，從而提高其導電性（圖 4a）。此外，隨著這些導電陶瓷片的加入,，具有不同宏觀結構的3D打印復合有機水凝膠顯示出不同的應變傳感特性,。如圖 4b 所示，單向排列的樣品對拉伸最為敏感,，在 200% 應變時的量規(guī)因子為 ~3.75,，而 Bouligand 和交叉層狀樣品的量規(guī)因子較小，分別為 ~2.32 和 ~1.54,。請注意,，它們的楊氏模量也有類似的趨勢，其中單向排列結構的硬度最大,，而交叉層狀結構的模量最小,。當拉伸復合有機水凝膠時，它們的電阻變化不僅歸因于離子濃度的變化,，還歸因于導電陶瓷片的距離,。因此，較高的硬度意味著陶瓷小板在拉伸時更容易拉開距離,，這也導致了復合有機水凝膠較大的電阻變化,。

本研究的復合有機水凝膠具有顯著的操作耐受性，包括長期穩(wěn)定性和較寬的溫度窗口,，這進一步拓展了其應用潛力,。在環(huán)境溫度（約 25 ℃）下暴露 24 小時后，復合有機水凝膠的相對質量損失僅約為 12.5%（圖 4c）,。在最初的質量損失之后,，由于替代溶液中甘油的低蒸發(fā)壓和吸濕性，它們可以達到平衡狀態(tài)并保持穩(wěn)定,。盡管初始質量損失較高,，約為 29%，但復合有機水凝膠在高溫（約 60 ℃）下也能保持穩(wěn)定,。此外，加入陶瓷片后,，有機水凝膠的導熱性也得到了改善（圖 4d）,。在溶液含量較高的情況下，純有機水凝膠的熱導率非常低,，僅為 0.46 W m-1 K-1,，而在陶瓷含量為 5 wt.% 時，熱導率上升到 0.97 W m-1 K-1,，在陶瓷含量為 10 wt.% 時,，熱導率上升到 1.23 W m-1 K-1。當水凝膠用于柔性電子產(chǎn)品時，增強的導熱性有助于緩解水凝膠的熱積聚問題,。在溫度的另一個極端,，本研究的復合有機水凝膠也具有出色的耐冷凍性，即使在零下 30 ℃時也能保持功能（圖 4f）,。圖 4g 中的差示掃描量熱儀（DSC）結果顯示,，純 PVA 水凝膠的凝固點約為 -18 ℃，而 PVA 有機水凝膠和復合有機水凝膠的凝固點則遠低于 -80 ℃,。這種耐凍性是由于甘油-水共晶混合物（質量比為 2:1）和有機水凝膠中高濃度鹽（氯化鐵）的抗凍特性,。

圖4 復合有機水凝膠的電傳感能力和操作耐受性

2. 總結與展望
通過利用天然材料的分層復合設計原理，本研究提出了一種分層制造設計策略,，用于制備強韌的復合有機水凝膠,，這種有機水凝膠由(1)5 wt.%排列整齊的導電陶瓷小板、(2)高度結晶的PVA基質和(3)硅烷處理過的小板-基質界面復雜設計而成,。該復合有機水凝膠還采用3D打印技術,，精選生物啟發(fā)宏觀架構，從而實現(xiàn)了高剛度（高達 9.6 MPa）,、高強度（高達 7.8 MPa）和高斷裂能（高達 31.1 kJ/m2）的組合,。特別是，優(yōu)異的斷裂韌性是通過工藝區(qū)和橋接區(qū)在多個長度尺度上的協(xié)同消能實現(xiàn)的,。這些復合有機水凝膠具有更強的導電性（7.1 S/m）和導熱性（0.97 W m-1 K-1）,，以及更寬的操作耐受性，可用于包括柔性電子器件在內(nèi)的各種機械要求苛刻的應用,。因此,，本研究所提出的策略有效地利用了天然材料的分層復合設計原理，實現(xiàn)了生物啟發(fā)的機械機制,，以及復合有機水凝膠的可調機械和電傳感響應,。該模型策略奠定的基礎為開發(fā)先進的復合水凝膠帶來了令人興奮的機遇。DIW 3D打印技術在材料和結構設計方面的多功能性可以得到進一步開發(fā),。開發(fā)具有新穎生物啟發(fā)結構的復合水凝膠的潛力就在于此,，從而進一步探索天然材料的分層組織以提高性能。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47597-7