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材料新扩展:用于柔性传感器的3D打印水凝胶

来源:原创

发布时间:2020-06-04 12:03:48

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aau讯(编辑 卢晶)据外媒报道,近日,国际研究人员聚集在一起对复杂的3D打印材料进行了研究,并在“ 可用于光固化3D打印的基于双网的坚韧且导电的聚合物水凝胶 ”论文中发表了他们的研究成果。


据了解,目前导电性能材料和水凝胶都广泛用于3D打印中,而在本次研究中,研究员将它们结合起来以在柔性传感器方面进行更大的创新。顾名思义,水凝胶由聚合物制成,它能够保持水分,并且经常用于以生物打印、交联、软组织工程等为中心的研究项目。尽管被认为适合于各种应用,但是据研究员最近发现,由于机械性能较差,它们的使用经常受到限制。


但是,由于附着力强、高孔隙率、膨胀好、生物相容性等原因,导电水凝胶在研究和开发中极具有吸引力。这些功能使CHs成为人体运动传感器甚至伤口绷带的绝佳选择,可增强感染皮肤的再生能力。


研究人员说:“目前,可打印的CHs大多是带有导电性且具有自由移动离子。由于准备过程简单,变形大,因此非常适合3D打印。”


研究人员透露,在使用导电水凝胶时会面临很多挑战,因为柔性链会变形,单个网格结构很容易分解,这导致了打印的部件具有较低的机械强度。但是,导电聚合物【聚吡咯(PPy),聚噻吩(PTh),聚苯胺(PANI)和水凝胶】的组合可能会聚在一起形成互穿聚合物网络(IPN)或双网络(DN)结构。


导电聚合物水凝胶(CPH)用作管理结构内应力的链条,经过聚合,浸没,然后集成到网络中,形成IPN。由于成型时间太长,需要一到两天,因此远远不能满足3D打印的要求。


据了解,在这项研究中,合成水凝胶是通过DLP 3D打印机进行打印的。



CPH的结构和制备过程示意图;(a)通过DLP打印形成具有EDOT的水凝胶;(b)在氧化剂溶液中形成的PHEA-PSS / PEDOT水凝胶


在12%(重量)的EDOT含量下评估样品水凝胶的电导率。



(a)EDOT含量分别为12 w%的,处于不同氧化剂比的处于溶胀状态和干燥状态的水凝胶的电导率。(b)在固定浓度的FeCl3:APS = 1:1的EDOT不同浓度下的电导率。(c)照亮LED的印刷水凝胶的照片。(d)水凝胶的溶胀性能随着加入EDOT而下降。



“干凝胶的导电率归因于  PEDOT的π电子共轭聚合物。为了排除离子的影响,PEDOT的评估基于干燥样品的电导率。与仅一种氧化剂APS相比,Fe 3+  作为电子受体从  PEDOT的π电子共轭聚合物中吸收电子,在链中形成载体[ 41 ]。当FeCl 3  过量时,过多的氧化点导致PEDOT的分子量降低,从而削弱了导电相的接触。同时,过氧化作用也破坏了PEDOT的共轭结构[ 42 ],从而导致电导率下降。当EDOT、APS和FeCl 3的比例 为1:1:1时,干凝胶的电导率最大(0.5 S cm-1)。”研究人员解释道。


据了解,随着EDOT的增加,水凝胶显示出溶胀。反之减少,使其达到恒定状态。在测试传感器的应用时,研究人员创建了一个样本“手指”,将水凝胶附着在其上,并注意到当手指弯曲时,水凝胶能够将快速将机械信号转换为电信号。根据压力变化,手指能够变形并且保持不断裂。


(a)手指弯曲状态下的电流变化;(b)一定的压力。



研究人员总结说:“事实证明,水凝胶可用作压力传感器来监测人类活动。这项研究为3D打印导电水凝胶提供了新的思路,该材料可用于可拉伸的电子设备和软机器人应用中。”


【点评】近年来,水凝胶尤其是超韧水凝胶在细胞培养、组织工程、软机器人以及离子器件等领域的应用得到极大发展。最近更是在3D打印领域打开了新世界,此研究为3D打印材料提供了更多的选择和可能性,相信未来,3D打印水凝胶将在更多的行业得到应用。


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