在柔性电子和生物医学等领域，需要高强度、高韧性和生物相容性的材料。传统材料往往在强度和韧性之间存在权衡，这限制了它们在这些领域的应用。因此，开发具有出色力学性能的新型材料变得尤为重要。水凝胶作为一类广泛应用于生物医学和3D打印的材料，具有出色的生物相容性，但其力学性能相对较弱。因此，引入纳米纤维等增强材料成为改善水凝胶力学性能的重要策略。
图1：由芳纶纳米纤维增强的坚固、坚韧、抗疲劳且可 3D 打印的水凝胶复合材料
由清华大学李晓雁教授和南方科技大学葛锜教授共同研发了由芳纶纳米纤维增强的坚固、坚韧、抗疲劳且可 3D 打印的水凝胶复合材料。该研究旨在通过引入纳米纤维来增强水凝胶的力学性能，从而在3D打印领域实现更广泛的应用，包括柔性电子和生物医学器械。研究人员将对甲酰胺-聚（乙二醇）丙烯酸酯（AP）水凝胶中引入的对苯二甲酰胺纳米纤维（ANFs）进行光化学修饰，从而引发其与水凝胶之间的共价交联和氢键相互作用。这些复合材料在强度、断裂韧性和疲劳阈值方面都表现出显著的提升，使它们成为用于3D打印的理想选择。
制备与表征
研究首先制备了一种以阿麻纤维（ANF）为增强剂的水凝胶复合材料。通过将ANF纤维分散在去离子水中，制备含有不同浓度（0.1 wt%，0.2 wt%，0.3 wt%）的ANF纤维分散液。将此分散液与适当比例的单体、交联剂和光引发剂混合，制备出ANF-水凝胶复合材料。使用扫描电子显微镜（SEM）等手段对复合材料进行了表征，结果显示ANF与水凝胶之间形成了交联网络，同时在复合材料中观察到了微米级和纳米级的孔洞结构。
图2：ANF-水凝胶复合材料的制备和表征。
材料性能测试
1. 机械性能测试： 使用单轴拉伸测试仪测量了不同ANF浓度下的复合材料的力学性能。研究发现，随着ANF浓度的增加，复合材料的模量和强度显著提高，但断裂伸长率略有降低。复合材料的韧性也得到了显著提高，断裂能量提高了近一个数量级。
图3：ANF-水凝胶复合材料的机械测试。
2. 疲劳性能测试： 对复合材料进行了疲劳性能测试，发现ANF-水凝胶复合材料的疲劳阈值显著提高，疲劳裂纹扩展速率降低。与传统水凝胶相比，复合材料表现出更好的疲劳性能。
图4：ANF-水凝胶复合材料的疲劳测试。
3. 3D打印与生物相容性：使用光固化3D打印技术（PμSL）制备了不同结构的ANF-水凝胶复合材料。复合材料在3D打印过程中表现出了良好的打印分辨率和延展性。生物相容性测试显示，复合材料在细胞培养实验中表现出良好的生物相容性。
图5：ANF-水凝胶复合材料的3D打印、生物相容性和性能比较。
应用前景
该研究可以应用于灵活的电子设备制造。研究中合成的ANF-水凝胶复合材料具有增强的机械性能、高印刷分辨率和良好的生物相容性，表明这些复合材料是用于体内灵活电子器件制造的良好候选材料。当将1 M氯化钠加入ANF-水凝胶溶液中时，复合材料变得导电。为了表征在变形时复合材料的电阻特性，研究人员使用加入盐的0.3 wt% ANF-水凝胶溶液铸造了狗骨形薄膜（尺寸约为20×40×2 mm3）。未变形状态和拉伸、弯曲、扭曲等三种基本变形模式如图6a所示。测量了狗骨形薄膜的原位电阻响应，如图6b所示。在被拉伸时，电阻显著增加；在弯曲过程中略微减小；在扭曲时略微增加。值得注意的是，当薄膜恢复到未变形状态时，电阻几乎恢复到初始值。此外，研究人员使用导电性为0.3 wt%的ANF-水凝胶溶液，将仿生气垫结构印刷成压敏传感器。图6c显示了由两个平板夹持的定期排列的空心五边形棱柱结构，压力传感器在初始状态和施加压力下的情况。他们对印刷的压力传感器进行了长期的循环加载测试，以测试其机械和电子性能的稳定性。稳定的机械和电子性能以及良好的生物相容性满足了这些ANF-水凝胶复合材料在生物体内制造灵活电子设备的要求。此外，研究人员还根据人体膝盖半月板的计算机断层扫描（CT扫描）使用0.3 wt% ANF-水凝胶复合材料打印出人工半月板，并表明其在长期加载下具有稳定的机械响应。
图6：ANF-水凝胶复合材料作为柔性电子器件的应用。
总的来说，该研究展示了ANF-水凝胶复合材料在机械性能、3D打印能力和应用方面的优势。表S1总结了该研究的ANF-水凝胶复合材料以及先前报道的各种3D打印可行的水凝胶（通过DLP或DIW）的机械性能和打印分辨率。在这些3D打印可行的水凝胶中，该研究的ANF-水凝胶复合材料展示了高强度、高断裂能量和显著的疲劳抗性的组合，同时具有约16μm的高打印分辨率。因此，该研究的ANF-水凝胶复合材料在柔性电子器件、生物医学和组织工程等领域具有潜在应用，这些领域同时需要优异的机械性能和高打印分辨率。
文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.020
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