北卡罗来纳州立大学开发3D打印光激活水凝胶致动器

2024年7月28日，南极熊获悉，来自北卡罗来纳州立大学的一个国际研究团队已将金纳米棒嵌入水凝胶中，该水凝胶可通过 3D 打印进行加工，从而形成在光照下收缩并在光照消失时再次膨胀的结构。这种可逆的膨胀和收缩可以重复多次，从而使 3D 打印结构可以用作远程控制的致动器。

相关研究以题为“3D 打印水凝胶作为光热致动器/ 3D-Printed Hydrogels as Photothermal Actuators”的论文发表在开放获取期刊《Polymers》上。该论文由北卡罗来纳州立大学研究生 Jameson Hankwitz、德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所的 Martin Geisler、Niclas Weigel、Nicolas Hauck 和 Jonas Schubert 以及德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所和德累斯顿工业大学的 Andreas Fery 共同撰写。

论文链接：https://www.mdpi.com/2073-4360/16/14/2032#

该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授乔·特雷西 (Joe Tracy) 说道：“我们知道可以 3D 打印出受热时会收缩的水凝胶。我们还知道可以将金纳米棒加入水凝胶中，使其具有光响应性，这意味着它们在暴露于光线下时会以可逆的方式收缩。我们希望找到一种将金纳米棒加入水凝胶中的方法，以便我们能够 3D 打印出光响应结构。”

论文概述

水凝胶是一种含有水的聚合物网络，常见于隐形眼镜和尿布等吸水材料物品中。研究人员并没有从技术上 3D 打印水凝胶，而是打印了一种含有金纳米棒和制造水凝胶所需所有成分的溶液。

论文共同通讯作者、马格德堡奥托冯格里克大学有机化学系主任朱利安蒂勒 (JulianThiele) 说道：“当这种打印溶液暴露在光线下时，溶液中的聚合物会形成交联分子结构。这会将溶液变成水凝胶，捕获的金纳米棒会分布在整个材料中。”

3D 打印的预水凝胶溶液粘度非常低，无法打印到普通基材上，因为这会导致形成一滩水，而不是 3D 结构。为了解决这个问题，研究人员将溶液打印到水中的明胶微粒半透明浆液中。打印机喷嘴穿透明胶浆液，将溶液打印成所需形状。由于明胶是半透明的，光线可以穿透基质，将溶液转化为固体水凝胶。然后将整个结构放入温水中，融化明胶，留下 3D 水凝胶结构。

当这些水凝胶结构暴露在光线下时，嵌入的金纳米棒会将光转化为热量，导致水凝胶中的聚合物收缩，将水挤出，使结构收缩。当光线消失时，聚合物会冷却并重新吸收水分，使水凝胶结构膨胀回其原始尺寸。

图 1.材料设计和制造及驱动实验方法的示意图。

图 2.( a ) 水性 CTAB-GNR 和 BSA-GNR 的消光光谱，以峰值消光度 1 为标准，内附 BSA-GNR 的TEM 图像；( b ) 紫外线照射下乙酰化明胶牺牲支持基质内的 DIW；( c ) 用荧光素染色的未负载结构的共聚焦荧光显微镜图像；( d ) GNR 负载结构 (OD 10) 的明视野显微镜图像，其中中心的黑点是气泡。

图 3.对于装有 GNR 的 OD 2.5、5、10 和 20 样品，在一次对流加热循环和三次光热加热循环过程中的收缩和再膨胀行为。（a）顶部面板中循环期间的面积测量值和底部面板中收缩结构的面积除以膨胀结构的面积突出了收缩行为的细微差异。为了评估测量中的误差，在第二次光热加热循环中对处于膨胀和收缩状态的 OD 10 样品的面积进行了 10 次测量，从中计算出相应的标准差为 0.019 和 0.0039 cm 2。这些误差传递到 OD 10 样品第二次光热加热循环中收缩/膨胀面积比率的误差为 0.45%。这些误差代表了其他循环和样品。 ( c )对流加热和 ( d ) 光热加热后立即拍摄的 (b) 膨胀状态和收缩状态的照片，其中 ( c )左侧面板显示了常用比例尺 (2 毫米) 。 ( e ) 光热加热后立即从热成像相机拍摄的图像，对应于 ( d )。 注意：对 ( b - d ) 面板进行了校正，以去除照片边缘标尺上的刻度标记。图 S7中显示了这些面板的未校正版本。

图 4.( a - c ) OD 20 样品的照片，该样品在连续光热加热循环后重新膨胀时发生向内弯曲。对于每个循环，左图显示弯曲状态的图像，右图显示完全解开弯曲并重新膨胀后的图像。这些图像是从电影 S6中截取的快照。

该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学前博士生Melanie Ghelardini说道：“人们已经对受热收缩的水凝胶进行了大量研究。我们现在已经证明，当水凝胶暴露在光线下时，你可以做同样的事情，同时还可以 3D 打印这种材料。这意味着以前需要直接加热的应用现在可以通过照明远程触发。”

Thiele 表示：“与使用传统的模具铸造相比，3D 打印水凝胶结构提供了几乎无限的设计自由度。并且它允许在光触发的光敏材料收缩和扩张过程中预先编程独特的运动。”

这项研究得到了美国国家科学基金会（拨款编号 1803785）、德国研究基金会 (DFG) 研究培训学校 1865：基于水凝胶的微系统和 2767（项目编号 451785257）、亚历山大·冯·洪堡基金会、德累斯顿智能材料中心以及欧盟“地平线 2020”研究与创新计划（拨款编号 852065）的支持。