高性能結構化水凝膠3D打印因具有良好的理化性能和可個(ge) 性化設計製造結構等特征，在組織工程、軟體(ti) 驅動、柔性傳(chuan) 感、工程承載等許多領域具有巨大的潛在應用價(jia) 值。目前，無論是化學交聯還是物理交聯3D打印水凝膠，因所製備的3D打印結構體(ti) 在力學性能方麵表現不佳致使其應用嚴(yan) 重受限。因此，高強韌水凝膠3D打印對滿足實際應用需求具有重要意義(yi) ，是增材製造領域具有挑戰的前沿研究。

中國科學院蘭(lan) 州化學物理研究所固體(ti) 潤滑國家重點實驗室研究員王曉龍帶領的團隊，通過構築雙物理交聯網絡策略實現了超高強韌水凝膠3D打印。如圖1所示，該3D打印超高強韌水凝膠由兩(liang) 步法實現：（1）基於(yu) 聚乙烯醇（PVA）和可溶性短鏈殼聚糖（CS）水凝膠前驅體(ti) 墨水的直書(shu) 寫(xie) （Direct Ink Writing）3D打印成形。（2）依次進行冷凍-解凍循環和檸檬酸鈉溶液浸泡配位交聯後處理，形成PVA物理結晶網絡和CS離子交聯網絡的雙物理交聯網絡超高強韌水凝膠。

研究首要任務是複雜三維水凝膠結構打印成形，主要通過調控由PVA和CS組成的水凝膠墨水體(ti) 係流變學性能，如剪切變稀行為(wei) 以及優(you) 異的粘彈性能和觸變性能等實現。隨後依次進行冷凍-解凍循環和檸檬酸鈉溶液浸泡配位交聯分別構建PVA物理結晶網絡和殼聚糖離子交聯網絡，賦予3D打印水凝膠超高強韌性能。研究表明，采用優(you) 化條件得到的3D打印雙物理網絡水凝膠在拉伸應變為(wei) 302.27±15.70%下，拉伸強度達到12.71±1.32 MPa，楊氏模量為(wei) 14.01±1.35 MPa，斷裂伸長功為(wei) 22.10±2.36 MJ m^-3。與(yu) 已報道的所有3D打印化學和物理交聯水凝膠相比，該研究報道的雙物理網絡水凝膠相關(guan) 性能處於(yu) 優(you) 勢地位（圖2）。撕裂實驗顯示其斷裂能為(wei) 9.92±1.05 kJ m^-2，表現出優(you) 異的韌性。

采用DIW方法，該高強韌水凝膠實現包括木堆晶格、蜂巢以及螺旋等三維複雜結構的成形製造（圖3a），通過局部雙重物理網絡強化策略，還實現了鯨魚、章魚以及蝴蝶等形狀的再次塑形（圖3b），表明其在4D打印領域具有較大應用潛能。高強韌水凝膠3D打印將高性能水凝膠材料與(yu) 先進製造技術有機結合，為(wei) 智能機械、軟體(ti) 機器人等新興(xing) 領域提供新的設計思路和解決(jue) 方案。

相關(guan) 研究成果發表在Chemistry of Materials上。蘭(lan) 州化物所博士生蔣盼為(wei) 論文第一作者，王曉龍為(wei) 論文通訊作者，該研究由蘭(lan) 州化物所作為(wei) 第一單位與(yu) 安徽工業(ye) 大學和三峽大學合作完成。研究工作得到國家自然科學基金和中科院前沿科學重點研究計劃項目的支持。

圖1. 雙物理交聯策略構築3D打印超高強韌水凝膠示意圖

圖2. 3D 打印雙物理交聯水凝膠力學性能與(yu) 展示

圖3. （a）3D 打印水凝膠精細結構；（b）3D打印水凝膠二次塑形