One-Step Digital Light Processing 3D Printing of Robust, Conductive, Shape-Memory Hydrogel for Customizing High-Performance Soft Devices

材料科学 3D打印 数字光处理 导电体 形状记忆合金 自愈水凝胶 纳米技术 软质材料 软机器人 3d打印 复合材料 生物医学工程 计算机科学 人工智能 工程类 高分子化学 执行机构 投影机
作者
Hanqiang Zhang,Peiren Wang,Heng Zhang,Gangsheng Chen,Kai Wang,Xiaoyi Chen,Zhe Chen,Mingxing Jiang,Junhui Yang,Min Chen,Ji Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (49): 68131-68143 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsami.4c18098
摘要

Mechanically robust and electrically conductive hydrogels hold significant promise for flexible device applications. However, conventional fabrication methods such as casting or injection molding meet challenges in delivering hydrogel objects with complex geometric structures and multicustomized functionalities. Herein, a 3D printable hydrogel with excellent mechanical properties and electrical conductivity is implemented via a facile one-step preparation strategy. With vat polymerization 3D printing technology, the hydrogel can be solidified based on a hybrid double-network mechanism involving in situ chemical and physical dual cross-linking. The hydrogel consists of two chemical networks including covalently cross-linked poly(acrylamide-co-acrylic acid) and chitosan, and zirconium ions are induced to form physically cross-linked metal-coordination bonds across both chemical networks. The 3D-printed hydrogel exhibits multiple excellent functionalities including enhanced mechanical properties (680% stretchability, 15.1 MJ/m3 toughness, and 7.30 MPa tensile strength), rapid printing speed (0.7-3 s/100 μm), high transparency (91%), favorable ionic conductivity (0.75 S/m), large strain gauge factor (≥7), and fast solvent transfer induced phase separation (in ∼3 s), which enable the development of high-performance flexible wearable sensors, shape memory actuators, and soft pneumatic robotics. The 3D printable multifunctional hydrogel provides a novel path for customizing next-generation intelligent soft devices.
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