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  水凝膠是一種含水量較高的聚合物網絡，通過將水凝膠與其他高分子材料快速鍵合形成水凝膠-高分子復合結構，可起到保護、增強水凝膠結構或引入新功能的作用，在生物醫療、柔性電子、軟體機器人等諸多領域有著巨大的應用價值。目前研究者主要將精力集中在水凝膠與硅膠間的復合，且結構多為簡單的層狀結構，極大地限制了其應用。雖然基于數字光處理的3D打印技術可對各種光敏水凝膠和高分子材料進行三維成型，但是水凝膠與其他高分子材料界面間的結合力較弱，如何在打印水凝膠-高分子復合結構的同時增強不同材料間的界面結合力仍然是一個難題。

  近日，南方科技大學機械與能源工程系葛锜副教授課題組與浙江大學曲紹興教授課題組合作研究發現，利用改性水溶性光引發劑-2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦（TPO）在引發丙烯酰胺水凝膠光聚合反應時的不完全性，使其能與包括彈性體、剛性聚合物、ABS類樹脂、形狀記憶高分子在內的不同（甲基）丙烯酸酯類樹脂形成共價界面，極大地提高了水凝膠-高分子材料的界面結合力。如圖1所示，利用該團隊自主開發的數字光處理技術多材料3D打印系統，可實現水凝膠-高分子高精度多材料復雜混合三維結構的快速一體化成型。通過三個應用案例，證明了所提出的新方法可以極大地豐富水凝膠-高分子結構與器件的設計自由度，并對其功能和性能實現進一步的提升。

圖1. 多材料3D打印水凝膠與其他高分子材料的復合三維結構

  利用該多材料3D打印技術可實現多種水凝膠三維復合材料結構的快速一體化成型。通過剛度增強微結構設計，水凝膠復合材料的模量有幾十倍甚至幾百倍的提升，如圖2所示。此外，通過調節微結構局部尺寸，還可實現對水凝膠復合材料局部剛度的調控。

圖2. 多材料3D打印水凝膠復合材料三維結構

  通過該技術制備的具有藥物緩釋功能的水凝膠-形狀記憶高分子（SMP）心血管支架如圖3所示。3D打印的形狀記憶高分子材料使得心血管支架在體溫37℃環境下能夠自動展開撐開硬化、狹窄的心血管，而嵌入的水凝膠材料則使其具備了藥物緩釋功能。

圖3. 3D打印的具有藥物緩釋功能的形狀記憶心血管支架

  該技術還可用于多功能軟體驅動器的快速一體化成型。如圖4所示，通過多材料3D打印離子導電水凝膠與光敏彈性體可將應變傳感功能賦予軟體驅動器，實現軟體機器人的驅動-傳感快速一體化成型。

圖4. 3D打印的具有應力傳感功能的軟體驅動器

  該項研究拓寬了水凝膠-高分子材料復合結構成型方法和能力，在開發新型多功能軟體器件方面具有較大應用潛力。

  以上相關成果發表在Science Advances上，并被雜志封面重點報道，DOI: 10.1126/sciadv.aba4261。南方科技大學為本論文第一單位，南方科技大學、西北工業大學和浙江大學為本文共同通訊單位。該項研究得到廣東省重點領域研發計劃、國家自然科學基金等項目資助。

  文章鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/2/eaba4261