The invention discloses a 4D printing method for a programmable deformable strong and tough hydrogel, in particular relating to two kinds of polymer hydrogels, one of which is a poly (acrylic acid co_acrylamide) copolymer, the other is a solution of a poly (acrylamide Co N_isopropylacrylamide) copolymer and a poly (acrylic acid co acrylamide). A viscous solution with salt-sensitive properties is prepared by mixing the copolymer solution in proportion; the mixed solution and the poly (acrylic acid co_acrylamide) solution are combined with a 3D printing platform to obtain a specific structure, and the corresponding spatial structure is obtained by the volume shrinkage and structure design of the salt-sensitive materials immersed in brine. Now 4D printing. The hydrogel structure with high strength, high elasticity and high toughness can be obtained by using the invention, and the response speed is very fast, which provides the possibility for the practical application of the software robot and the like.
【技术实现步骤摘要】
一种可编程变形的强韧水凝胶的4D打印方法
本专利技术属于高分子材料
,尤其涉及一种具有盐敏特性的水凝胶以及高弹性高强度高韧性高分子水凝胶的制备、打印及其可控变形过程。
技术介绍
可变形系统在植物中是普遍存在的,比如豆荚、松果、捕蝇草、野燕麦等,环境刺激会使这些植物产生变形运动。这些植物的形状变化通常受它们的组织组成和各向异性的微观结构控制。受到这些自然系统的启发,利用多层和梯度结构水凝胶,以实现对外部刺激的各种变形。这些可变形水凝胶在药物输送、生物医学器件、软驱动器、自主机器人技术、三维细胞培养等领域有着广阔的应用前景。针对弯曲变形,通常设计具有不同响应性的多层结构。体积沿厚度方向收缩程度的非均匀性会引起多层材料的弯曲行为。例如Nie等人展示过一种由两层构成的平面水凝胶薄膜,上层是由长条状黏土交联的聚N-异丙基丙烯酰胺凝胶以及化学交联的聚N-异丙基丙烯酰胺凝胶交替分布构成的,而下层仅由化学交联的聚N-异丙基丙烯酰胺构成。黏土交联的聚N-异丙基丙烯酰胺凝胶比化学交联的聚N-异丙基丙烯酰胺凝胶软且对温度响应的变形更大。因此,材料特性使得双层薄膜结构可以对温度响应从而实现弯曲变形,而变形形状可以通过两种凝胶组成结构的不同进行调整。然而,这种体系的变形速度不快,需要40分钟才能完成从圆管状变成平面再从平面弯曲成圆管状这个过程。在一些现实场景中,对环境刺激是需要快速响应的。刺激响应层材料的不均匀溶胀以及减少多层结构的厚度可以使变形更加迅速。例如Ionoy等人报道了一种双层聚合物,上层是200nm厚的疏水聚合物层,下层是1200nm厚的刺激响应层。通过改变双层结 ...
【技术保护点】
1.一种可编程变形的强韧水凝胶的4D打印方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)将丙烯酰胺和丙烯酸混合溶液加入温度引发剂及促引发剂后,置于保温箱中保温,得到聚(丙烯酸‑co‑丙烯酰胺)共聚物溶液;(2)将丙烯酸和N‑异丙基丙烯酰胺混合溶液加入温度引发剂及促引发剂后,置于保温箱中保温,得到聚(丙烯酸‑co‑N‑异丙基丙烯酰胺)共聚物溶液;(3)将聚(丙烯酸‑co‑丙烯酰胺)共聚物溶液与聚(丙烯酸‑co‑N‑异丙基丙烯酰胺)共聚物溶液混合,得到两种比例的聚(丙烯酸‑co‑丙烯酰胺)与聚(丙烯酸‑co‑N‑异丙基丙烯酰胺)混合的溶液,其中,聚(丙烯酸‑co‑N‑异丙基丙烯酰胺)组分偏高的作为盐敏材料来驱动变形,而另一种作为聚(丙烯酸‑co‑丙烯酰胺)溶液与盐敏混合溶液的粘结剂;(4)使用3D打印平台,将聚(丙烯酸‑co‑丙烯酰胺)以及聚(丙烯酸‑co‑丙烯酰胺)与聚(丙烯酸‑co‑N‑异丙基丙烯酰胺)混合溶液按照预先设置的打印参数分别挤出到玻璃基板上形成特定的形状结构;(5)将打印得到的形状结构放入恒温箱中的三价铁离子溶液中进行交联,然后将浸泡过铁离子溶液后的凝胶再放入恒温箱中的去离子水溶液中 ...
【技术特征摘要】
1.一种可编程变形的强韧水凝胶的4D打印方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)将丙烯酰胺和丙烯酸混合溶液加入温度引发剂及促引发剂后,置于保温箱中保温,得到聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物溶液;(2)将丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺混合溶液加入温度引发剂及促引发剂后,置于保温箱中保温,得到聚(丙烯酸-co-N-异丙基丙烯酰胺)共聚物溶液;(3)将聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物溶液与聚(丙烯酸-co-N-异丙基丙烯酰胺)共聚物溶液混合,得到两种比例的聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)与聚(丙烯酸-co-N-异丙基丙烯酰胺)混合的溶液,其中,聚(丙烯酸-co-N-异丙基丙烯酰胺)组分偏高的作为盐敏材料来驱动变形,而另一种作为聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)溶液与盐敏混合溶液的粘结剂;(4)使用3D打印平台,将聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)以及聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)与聚(丙烯酸-co-N-异丙基丙烯酰胺)混合溶液按照预先设置的打印参数分别挤出到玻璃基板上形成特定的形状结构;(5)将打印得到的形状结构放入恒温箱中的三价铁离子溶液中进行交联,然后将浸泡过铁离子溶液后的凝胶再放入恒温箱中的去离子水溶液中进一步交联得到平衡态凝胶结构;(6)将平衡态凝胶结构放入浓盐水中变形得到预先设计的形状结构。2.根据权利要求1所述的可编程变形的强韧水凝胶的4D打印方法,其特征在于,步骤(1)中,所述聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)共聚物溶液浓度为10~11wt%,聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)中丙烯酸的摩尔分数为10~15%。3.根据权利要求1所述的可编程变形的强韧水凝胶的4D打印方法,其特征在于,步骤(2)中,所述聚(丙烯酸-co-N-异丙基丙烯酰胺)共聚物溶液浓度为13~15wt%,聚(丙烯酸-co-N-异丙基丙烯酰胺)中丙烯酸的摩尔分数为10~2...
【专利技术属性】
技术研发人员:尹俊,沈洋洋,吴子良,郑司雨,钱劲,傅建中,
申请(专利权)人:浙江大学,
类型:发明
国别省市:浙江,33
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