引言
多孔結(jié)構(gòu)已成為形狀變形水凝膠實現(xiàn)快速響應(yīng)的重要突破。然而，通常這些多孔致動器所獲得的3D形狀單調(diào)而單一。本文通過結(jié)合“靜電紡絲”和“3D打印”兩種技術(shù)，開發(fā)了一種簡單而通用的方法，可以生成具有快速變形和性能增強的3D設(shè)計性可變形水凝膠。在有介孔結(jié)構(gòu)的電紡膜上通過刺激響應(yīng)，調(diào)節(jié)由膨脹/收縮引起的平面及層間內(nèi)應(yīng)力，從而指導(dǎo)電紡膜的變形行為以適應(yīng)環(huán)境的變化。通過該法，一系列快速變形的水凝膠致動器擁有了各種獨特的響應(yīng)行為，包括3D結(jié)構(gòu)的可逆/不可逆形成，3D管的折疊以及具有多低能態(tài)的3D結(jié)構(gòu)的形成。值得注意的是，雖然聚（N-異丙基丙烯酰胺）被選為本研究的模型系統(tǒng)，該法同樣適用于其他刺激響應(yīng)水凝膠，這豐富了快速變形水凝膠致動器的應(yīng)用前景。
成果簡介
近日，浙江大學(xué)的計劍教授和德國拜羅伊特大學(xué)的Seema Agarwal（共同通訊）在Adv. Funct. Mater.上發(fā)表了一篇題為“Combining 3D Printing with Electrospinning for Rapid Response and Enhanced Designability of Hydrogel Actuators” 的文章。該文章介紹了利用介孔結(jié)構(gòu)電紡絲熱響應(yīng)聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）膜作為具有多孔結(jié)構(gòu)的形態(tài)發(fā)生基底，確保水的溫度在低于和低于其臨界溶解溫度（LCST）的溫度變化時快速吸收和解吸。通過3D打印機在PNIPAm膜上打印不同的剛性PNIPAm /粘土圖案。雖然PNIPAm /粘土復(fù)合材料與電紡膜相比表現(xiàn)的響應(yīng)性比較不明顯，但它對指導(dǎo)形成控制基材形狀轉(zhuǎn)變的內(nèi)部應(yīng)力具有特別作用。PNIPAm作為模型系統(tǒng)，是一種適用于眾多其他響應(yīng)型水凝膠的普適性方法。與其他圖案化技術(shù)相比，作為計算機輔助的3D打印技術(shù)既提供對結(jié)構(gòu)和成分的精確控制，又提供出色的可設(shè)計性。該法創(chuàng)造性地融合靜電紡絲和3D打印的優(yōu)勢，在提高獲得的3D形狀的復(fù)雜性的同時增強設(shè)計性，提供快速變形，簡單易行。
圖文導(dǎo)讀
圖1 通過靜電紡絲制備PNIPAm執(zhí)行器示意圖
a）UV交聯(lián)；
b）3D打印輔助圖案化；
c）最簡單圖案的準備樣品的示意圖。
圖2 樣品示意圖及其內(nèi)部應(yīng)力測試
a）準備樣品的示意圖；
b）所制備樣品的可逆形狀轉(zhuǎn)變；
c）在37℃下由膨脹失配引起的面內(nèi)內(nèi)應(yīng)力（向上）和層間內(nèi)應(yīng)力（向下）的示意圖。 紅色箭頭：作用于印刷線上的應(yīng)力; 黑色箭頭：作用于靜電紡絲（NIPAm-ABP）膜上的應(yīng)力；
d）在37℃下在水中彎曲的電紡膜；
e）隨著印刷線之間距離的增加，37℃時的曲率變化；
f）樣品在水中的溫度響應(yīng)性（相鄰印刷線之間的距離為6mm）；
g）升溫/降溫周期中形狀轉(zhuǎn)變的可重復(fù)性（相鄰印刷線之間的距離為4 mm）。
圖3樣品的形狀變形過程
當樣品從0℃轉(zhuǎn)移到37℃（上）或37℃到0℃（下）時，樣品的形狀變形過程。 從0℃到37℃形狀轉(zhuǎn)變所需的時間約為2.8秒，而從37℃到0℃的形狀轉(zhuǎn)變約為2.6秒。
圖4樣品剛性模式引導(dǎo)的形狀變形和溫度響應(yīng)行為
a）、d）不同模式的示意圖；
b）~e）在37℃水中獲得的三維形狀的照片；
e）中的插圖表示在37℃下通過外力使試樣變形后獲得的穩(wěn)定形狀；
c，f）在0℃水中獲得的三維形狀的照片。 比例尺：5毫米。
圖5 紫外可見吸收光譜
a）樣品在不同溫度下的水中的彎曲方向；
b）在37℃的水中首先浸入不同溫度的水中樣品的彎曲方向的插圖；
c）通過在靜電紡絲基質(zhì)的兩側(cè)上印刷線尺寸上進行熱致動的不可逆形成的折疊管。
小結(jié)
研究團隊通過創(chuàng)造性地結(jié)合靜電紡絲和3D打印技術(shù)，進行快速響應(yīng)形變水凝膠的設(shè)計。由于多孔結(jié)構(gòu)引起的快速傳質(zhì)，靜電紡絲介孔結(jié)構(gòu)基底提供了快速響應(yīng)，而在基底上精心設(shè)計的，通過3D打印產(chǎn)生的剛性圖案為水中3D結(jié)構(gòu)的形成和其激響應(yīng)提供了方法。該法簡單，適用于大量樣品的制備。此外，雖然實驗中選擇PNIPAm作為研究模型，但這類方法可以擴展到其他響應(yīng)水凝膠。相信通過結(jié)合不同種類的響應(yīng)性水凝膠或其它激活技術(shù)，可以在此框架中產(chǎn)生許多有趣的結(jié)果。
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