3D printable strong and tough composite organo-hydrogels inspired by natural hierarchical composite design principles

自愈水凝胶 材料科学 复合数 陶瓷 韧性 复合材料 制作 纳米技术 高分子化学 医学 病理 替代医学
作者
Quyang Liu,Xinyu Dong,Haobo Qi,Haoqi Zhang,Tian Li,Yijing Zhao,Guanjin Li,Wei Zhai
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47597-7
摘要

Abstract Fabrication of composite hydrogels can effectively enhance the mechanical and functional properties of conventional hydrogels. While ceramic reinforcement is common in many hard biological tissues, ceramic-reinforced hydrogels lack a similar natural prototype for bioinspiration. This raises a key question: How can we still attain bioinspired mechanical mechanisms in composite hydrogels without mimicking a specific composition and structure? Abstracting the hierarchical composite design principles of natural materials, this study proposes a hierarchical fabrication strategy for ceramic-reinforced organo-hydrogels, featuring (1) aligned ceramic platelets through direct-ink-write printing, (2) poly(vinyl alcohol) organo-hydrogel matrix reinforced by solution substitution, and (3) silane-treated platelet-matrix interfaces. Unit filaments are further printed into a selection of bioinspired macro-architectures, leading to high stiffness, strength, and toughness (fracture energy up to 31.1 kJ/m 2 ), achieved through synergistic multi-scale energy dissipation. The materials also exhibit wide operation tolerance and electrical conductivity for flexible electronics in mechanically demanding conditions. Hence, this study demonstrates a model strategy that extends the fundamental design principles of natural materials to fabricate composite hydrogels with synergistic mechanical and functional enhancement.
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