上海交通大學(xué)及江西科技師范大學(xué)聯(lián)合研究團隊在《Nature Communications》期刊發(fā)表文章“Multimaterial cryogenic printing of three-dimensional soft hydrogel machines"，提出了一種多材料低溫打?。∕CP）技術(shù)，采用全低溫溶劑相變策略，包括瞬間墨水凝固，然后通過(guò)原位同步溶劑熔化和交聯(lián)，能夠高保真度的制造具有高縱橫比復雜幾何形狀（懸垂、薄壁和空心）的各種多材料3D水凝膠結構，并使用該方法制造了具有多種功能的全打印全水凝膠軟機器。
該技術(shù)展示了具有集成制造多功能的全打印全水凝膠軟機器的能力，例如具有小葉狀態(tài)感知的自感知仿生心臟瓣膜和具有20個(gè)軟硬復合葉片的無(wú)繩磁渦輪機機器人。這種具有不同運動(dòng)模式（清掃和拖動(dòng)）的渦輪機機器人進(jìn)一步提供了復雜管內堵塞物清除和運輸的能力。
MCP技術(shù)利用全低溫溶劑相變策略通過(guò)兩個(gè)步驟制造多材料3D結構水凝膠。第一步使用水到冰的瞬時(shí)相變來(lái)物理鎖定水凝膠前體的分子構型，通過(guò)將低溫平臺與墨水直寫(xiě)3D打印系統相結合，使多種水凝膠墨水在-30~-10°C的低溫范圍內一體化按需打印凍結，實(shí)現打印可定制化、高精度、自支撐的3D結構。第二步利用反向冰-水相變以在融化的冰-水界面處引發(fā)冷凍水凝膠分子網(wǎng)絡(luò )的化學(xué)交聯(lián)。通過(guò)低溫打印過(guò)程的原位顯微鏡成像來(lái)監測作者的MCP技術(shù)的動(dòng)力學(xué)，可以清楚地觀(guān)察到在剛剛擠出的細絲中具有通過(guò)水固化形成堅硬冰殼的結晶前沿。在掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中，低溫打印的長(cháng)絲顯示出均勻的微孔，而室溫打印的樣品顯示出分層多孔形態(tài)。與在各種打印動(dòng)力學(xué)條件（如油墨流變學(xué)和基底）上的室溫打印相比，MCP技術(shù)的分辨率更高，且沒(méi)有顯著(zhù)的性能劣化。接下來(lái)，作者驗證了具有不同形成機制的水凝膠材料的多材料打印性能。打印的非均質(zhì)水凝膠的單軸拉伸測試表明，每個(gè)混合樣品在組成的均質(zhì)水凝膠本身處破裂，而不是在連接部分脫粘（圖2）。
圖2 多材料低溫打印技術(shù)的特性
為了展示技術(shù)制造能力，作者設計打印了一系列具有懸垂、薄壁、空心特征的復雜結構，包括金字塔、Y形管道、空心立方體、體素化立方體、管內支架與晶格超結構。所制造結構在拉伸、擠壓和扭轉等變形方面具有機械魯棒性，為軟體器件應用提供了優(yōu)異的可靠性和耐久性。進(jìn)一步使用X射線(xiàn)計算機斷層掃描評估打印結構的形狀保真度。以三維異質(zhì)晶格結構為例，其斷層掃描切片顯示出均勻的毫米級壁厚和高保真中空結構。通過(guò)點(diǎn)云重建與設計結構定量比較，結果顯示其有68.3%的區域制造誤差小于227 μm，95.4%的區域制造誤差小于428 μm（圖3）。
作者設計和制造了具有小葉狀態(tài)感知的全水凝膠仿生主動(dòng)脈心臟瓣膜。打印的瓣膜顯示出與本地青少年心臟瓣膜相似的尺寸，表面輪廓誤差小于6%，最大表面傾斜度為43.7°。在模擬的收縮和舒張周期中，瓣葉順應性地響應跨瓣血流并引起腔室壓力的變化。實(shí)驗觀(guān)察證實(shí)，其承受能力可超過(guò)140 mmHg，覆蓋自體主動(dòng)脈血壓的正常范圍（圖4）。
圖4 自感知仿生心臟瓣膜
為了進(jìn)一步展示多功能軟機器，作者連續打印多種材料組件，以制造具有可定制尺寸（通常直徑約為12.5 mm）的無(wú)系繩多模磁性渦輪機機器人。在外部旋轉磁場(chǎng)激勵下，機器人的磁性平臺帶動(dòng)渦輪葉片形成旋轉清掃運動(dòng)。其中，葉片軟部能夠順應性錨定目標位置，而硬部則可產(chǎn)生扭矩和推進(jìn)力。與此同時(shí)，旋轉渦輪葉片可以擾動(dòng)水下管內流場(chǎng)，在其身后形成捕獲渦旋以實(shí)現目標物體的拖曳運動(dòng)。所設計的小型渦輪軟體機器人具有兩種運動(dòng)模式：葉片旋轉清掃和捕獲渦旋拖曳。通過(guò)反轉旋轉磁場(chǎng)方向使渦輪機器人翻轉（面對或背對目標物體)，能夠實(shí)現機器人多運動(dòng)模式切換。例如，清除水下直管中的粘性堵塞并捕獲漂浮障礙物，以避免堵塞遷移；通過(guò)轉向旋轉磁場(chǎng)導航，渦輪機器人運輸膠囊狀貨物通行復雜Y形管道等（圖5）。
圖5 無(wú)系繩多模式磁渦輪機機器人
總結：在這項研究中，作者提出了一種多材料低溫打印技術(shù)，利用全低溫溶劑相變策略進(jìn)行全3D水凝膠制造。開(kāi)發(fā)的技術(shù)平臺展示了構建的多材料3D水凝膠架構具有多樣性和幾何復雜性的能力，并在全打印全水凝膠軟機器上的演示中探索了軟機器人和生物醫學(xué)電子學(xué)的廣闊前景。
更新時(shí)間：2025-02-07
點(diǎn)擊次數：201
當前位置：
