3D打印具有多级孔结构的水凝胶

Porous hydrogels have shown great potential for a variety of applications including wastewater treatment, chromatographic separation, and tissue engineering scaffolds. Porous hydrogels prepared by the traditional pore-forming technique can’t possess macro- and micro-scale pores simultaneously. This proposal aims to develop a new method based on 3D printing to get hydrogels with a hierarchical porous structure. The ink used in the extrusion-gelation-type printer is a supramolecular porous hydrogel assembled from microgel building blocks. The microgels are adhered with each other by host-gest recognition effect on the surface, so the resulted hydrogel possesses intrinsic micropores. Because of the reversible and dynamic property of the host-gest recognition, the gel ink can be extruded and printed to get a macroporous structure and a specific 3D morphology. The micro- and macroscale pores are formed with different mechanisms and can be controlled precisely and independently. This proposal will investigate the unique rheology behavior of the porous gel ink and the controlling parameters for the 3D printing process.

多孔水凝胶在污水处理、色谱分离、组织工程支架等领域都有广泛应用。传统制备方法得到的多孔水凝胶难以同时具备多个空间尺度的孔结构。本申请拟建立3D打印水凝胶多级孔结构的新方法。制备一种由微凝胶经主客体包合作用而交联、粘接而成的水凝胶体系，该水凝胶具备一个微凝胶堆叠而成的本征微孔结构。由于主客体包合作用的动态可逆特性，该水凝胶又能通过挤出-凝胶化式的3D打印技术得到大孔结构及宏观形貌。此方法中各个尺度的孔结构由不同机理形成，能够独立、精确地控制。本申请将系统研究微米尺度的主客体包合作用形成的微凝胶界面独特的流变特性这一科学问题，以期指导水凝胶体系的化学设计，并为3D打印过程提供指导。

具有三维几何形状与可调的形变行为的形状记忆聚合物在智能设备制造中具有广泛的应用前景。传统的制备方法很难同时实现这两个特点。4D打印技术可以制造具有三维复杂形状且形状可变得形状记忆聚合物，但是由于打印技术本身的限制，调节形状记忆性能具有较大的挑战性。在本工作中，我们报道了一种材料和工艺概念，它允许形状记忆聚合物的数字光控制造，在30秒的打印时间内，可以精确控制几何形状与形状记忆性能。数字化光控可以区域化调节材料性能，比如相转变温度，橡胶态模量和最大伸长率（可高达250％）。因此，该方法使用相同的印刷前体在一次打印过程中制造多重形状记忆聚合物。我们证明了这种独特的属性有利于构建不寻常的变形三维纳米光子和电子器件。此方法的简单性和多功能性有助于其未来扩展到具有高级功能的各种几何复杂的设备中。