加州大学AFM具有异质成分和功能的3D水凝胶的流体渗透组装

　　【科研摘要】
　　3D 水凝胶是强大的多功能材料，有望成为下一代系统的构建模块。打印复杂 3D 水凝胶的现代方案正在迅速发展；然而，它们具有一些局限性，包括但不限于聚合物不相容性或难以在组成或功能上赋予连续的异质性。
　　最近， 加州大学Peter Tseng教授 团队提出了一种在  3D 中合成具有可调形式和功能的可编程水凝胶系统的简单策略 。这种方法 利用市售的立体印刷机/树脂来制造高分辨率模具，然后对水凝胶预聚物进行程序渗透和凝胶化。然后牺牲该模具以产生具有用户定义异质性的 3D 多功能水凝胶。 该方法与众多原位凝胶聚合物和改性剂兼容，从有机或合成聚合物的互穿网络到具有高浓度纳米材料或荧光标记的功能材料。这种方法易于使用且用途广泛，可以制造复杂的多材料结构，具有可调节的 3D 环境响应，这是完善的水凝胶 3D 打印方法无法实现的。相关论文以题为  Fluidic Infiltrative Assembly of 3D Hydrogel with Heterogeneous Composition and Function  发表在《 Advanced Functional Materials 》上。
　　【主图导读】
　　图1 3D 水凝胶的流体渗透组装。a,b)  渗透组装过程的一般示意图和相应的图像。在使用选定的水凝胶前体进行流体渗透之前，对牺牲的流体模具进行 3D 打印和后处理。模具以凝胶依赖性方式溶解，所得凝胶留在 DI 中以恢复。 c)  线宽在 100-500 µm 之间的模具压痕和相应的水凝胶突起。 d,e)  带有 500 µm 脊的水凝胶甜甜圈和脊的特写。 f,i,l)  方形金字塔模具示意图和由此产生的 PAAm 水凝胶承受压力。 g,j,m)  立方模具示意图和显示出热敏性的 PNIPAAm 水凝胶。 h,k,n)  球形模具示意图和与 FeCl3二次交联后产生的彩色 Ca-ALG 水凝胶。除非另有说明，所有比例尺均为 3 mm。
　　图2 水凝胶成分的可编程流体编码。ai-di)  研究中表征的四种渗透方法的示意图。 aii-dii)  分别对应于具有不同入口流速、渗透体积和扩散时间的四种渗透方法的图像。 aiii-diiv)  3D 水凝胶样品示意图，展示了渗透方法和相应的水凝胶。展示的凝胶分别被称为 3 层蛇纹石、UCI、鱼和毛细管） e,f） 微流体启发的混合器模具示意图以及来自控制和混合结构的水凝胶。 g,h)  颗粒分离器模具示意图和由此产生的水凝胶表现出坚硬的微粒尖针阵列。除非另有说明，所有比例尺均为 3 mm。
　　图3 具有可编程行为异质性的水凝胶。a)  应力与应变图，显示了在暴露于水凝胶特定溶解方案之前和之后水凝胶拉伸行为的差异（n = 4）。 b)  在经受设定的 HFIP 暴露时间后，PNIPAAm 收缩以响应更高的温度。由于温度引起的更大的失水百分比与溶剂暴露的增加有关（n = 3）。 c)  PAAm 水凝胶在暴露于其溶解方案之前和之后的透明度 (n = 3)。 di-p)  具有可互换入口的棒状流体模具示意图，用于在刚度、材料成分、改性剂浓度和化学成分方面产生梯度。 e-h)  在缓慢和快速凝胶化速率下对水凝胶梯度进行量化。
　　图4 具有可编程形式和 3D 功能的水凝胶的浸润组装。 a) 部分折叠桌模示意图以及由此产生的带有两个软桌腿的控制和梯度水凝胶。展示了对独立式水凝胶材料特性的轻松控制。bi–biii) Octet-truss 晶格模具和由此产生的互穿网络水凝胶。ci-ciii) 热花模具示意图和由此产生的具有温度响应函数梯度的荧光双层水凝胶。di–diii) 鸡蛋示意图和由此产生的水凝胶，其核心＂蛋黄＂是金纳米粒子。通过鞘流驱动，这可以通过用户定义的模具中的工程流程和功能快速轻松地合成 3D 封装功能。绿色激光照射下鸡蛋的高表面温度表明鸡蛋的中心 GNP 发出的高内部温度。除非另有说明，所有比例尺均为 5 mm。
　　【总结】
　　牺牲水凝胶模板与此处介绍的协调注射成型策略相结合，可以轻松合成独特的、柔软的多水凝胶结构，并在牺牲水凝胶成型领域提供了该领域最先进技术的显着进步。这些合成架构具有： 1） 相对高分辨率、高纵横比的光束和精细的曲线表面； 2)  在微米长度尺度上设计的梯度成分精细控制材料； 3)  独特的异质结构，通过直接编程微流体流驱动，由材料形成过程中引起的混合、鞘和颗粒分离流驱动。这种通用方法应该与任何基于 SLA 的 3D 打印机直接兼容，从而能够根据打印机的分辨率制造具有纳米级特征的架构。 该方法在立体光刻、微流体和水组装材料之间绘制了一条直接的技术线索——每个领域都有自己的巨大领域。 团队相信该方法可以整合这些领域中的每一个领域的技术进步，以实现具有接近或超过自然对应物的特性的下一代异质材料系统。
　　参考文献 ：
　　doi.org/10.1002/adfm.202103288
　　版权声明： 「 水凝胶 」旨在分享学习交流高分子聚合物胶体学等领域的研究进展。编辑水平有限 ，上述仅代表个人观点。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位关注！