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 复合材料 计算机科学 纳米技术 高分子化学
作者
Quyang Liu,Xinyu Dong,Haobo Qi,Haoqi Zhang,Tian Li,Yijing Zhao,Guanjin Li,Wei Zhai
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 3237-3237 被引量:105
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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