水凝胶3D打印优缺点及应用案例

水凝胶定义

水凝胶（Hydrogel）是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，含水量丰富的软材料，其广泛应用于柔性电子、生物医疗和可驱动机器人等领域。

水凝胶3D打印优势

相比传统铸造成型的水凝胶制备工艺，通过3D打印技术，可以制备出具有复杂几何形状的水凝胶结构，尤其是通过DLP（数字光处理）技术，具有更高的分辨率及可拉伸特性。

生物相容性高

水凝胶通常具有良好的生物相容性，对生物体的组织和细胞相对友好，因此在人体组织和器官等生物打印领域广泛应用。

透明度高

水凝胶透明度高达97%以上，对于可视化及研究非常友好，通常被用来制作透明的模型或器官。

可调节性高

水凝胶的物理特性可以通过调整材料成分和打印参数来进行调节，可根据对应的需求来改变水凝胶的硬度、弹性等。

水凝胶3D打印缺点

强度、断裂能和疲劳阈值较低

水凝胶通常具有相对较低的机械强度和硬度，对于要求高强度和硬度的领域而言，水凝胶则不太适合。

打印速度较慢

水凝胶打印速度相对较慢，这可能会增加打印的时间成本。

材料成本高

部分水凝胶材料的成本相对较高，这可能增加制造成本。

当然，水凝胶本身的一些特性可能限制了其在实际中的应用范围，尤其是在强度方面。

水凝胶3D打印应用

基于此，清华大学航天航空学院李晓雁教授和南方科技大学葛锜副教授团队向可3D打印水凝胶前驱体溶液中引入芳纶纳米纤维（ANF），在紫外光下固化后得到了芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料。与未增强的水凝胶相比，仅引入0.3 wt%的芳纶纳米纤维，即可使水凝胶的模量提高约30倍，强度、断裂能和疲劳阈值提高约一个数量级，同时还能够保持较高的断裂伸长率。

通过细胞实验表明，加入芳纶纳米纤维后，水凝胶复合材料依然具有良好的生物相容性。与其它基于DLP技术的可3D打印水凝胶相比，芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料展现出优异的力学性能和打印分辨率，改善了可3D打印聚丙烯酰胺水凝胶力学性能弱的不足。此外，在前驱体溶液中加入电解质可以使芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料具有导电性，对可导电的水凝胶复合材料施加不同加载方式时，其电阻值能够随着变形的发生而同步变化。

芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料的单轴拉伸和断裂能测试。(a) 单轴拉伸的应力-伸长曲线，插图为含0.2 wt% ANF的水凝胶复合材料的初始状态图。(b) 含0.2 wt% ANF的水凝胶复合材料拉伸近7倍后的图像。(c) 强度和模量随ANF含量变化。(d) Pure-shear测试试样。(e) Pure-shear测试的力位移曲线。(f) 断裂能随ANF含量变化。

水凝胶3D打印技术在特定应用领域具有优势，但在一些方面仍需不断改进和创新以适应更广泛的制造需求。