Programmed Deformations of 3D‐Printed Tough Physical Hydrogels with High Response Speed and Large Output Force

自愈水凝胶 材料科学 变形 粘弹性 丙烯酸 复合材料 丙烯酰胺 挤压 执行机构 3d打印 聚合物 软机器人 化学工程 高分子化学 生物医学工程 计算机科学 单体 人工智能 工程类 医学
作者
Si Yu Zheng,Yangyang Shen,Fengbo Zhu,Jun Yin,Jin Qian,Jianzhong Fu,Zi Liang Wu,Qiang Zheng
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:28 (37) 被引量:218
标识
DOI:10.1002/adfm.201803366
摘要

Abstract Shape‐morphing hydrogels have emerging applications in biomedical devices, soft robotics, and so on. However, successful applications require a combination of excellent mechanical properties and fast responding speed, which are usually a trade‐off in hydrogel‐based devices. Here, a facile approach to fabricate 3D gel constructs by extrusion‐based printing of tough physical hydrogels, which show programmable deformations with high response speed and large output force, is described. Highly viscoelastic poly(acrylic acid‐ co ‐acrylamide) (P(AAc‐ co ‐AAm)) and poly(acrylic acid‐ co ‐ N ‐isopropyl acrylamide) (P(AAc‐ co ‐NIPAm)) solutions or their mixtures are printed into 3D constructs by using multiple nozzles, which are then transferred into FeCl 3 solution to gel the structures by forming robust carboxyl–Fe 3+ coordination complexes. The printed gel fibers containing poly( N ‐isopropyl acrylamide) segment exhibit considerable volume contraction in concentrated saline solution, whereas the P(AAc‐ co ‐AAm) ones do not contract. The mismatch in responsiveness of the gel fibers affords the integrated 3D gel constructs the shape‐morphing ability. Because of the small diameter of gel fibers, the printed gel structures deform and recover with a fast speed. A four‐armed gripper is designed to clamp plastic balls with considerable holding force, as large as 115 times the weight of the gripper. This strategy should be applicable to other tough hydrogels and broaden their applications.
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