圖案化多材料磁性水凝膠致動器的4D打印技術介紹
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本文介紹了一種可用于多材料直接墨水打印（4D 打印）軟致動器的新型可打印磁性水凝膠，其由藻酸鹽、甲基纖維素和聚丙烯酸穩(wěn)定的四氧化三鐵磁性納米顆粒（MNPs）組成，含 0%、10%、20% MNPs 的三種墨水可打印出管、立方體、懸臂等3D 物體。該磁性水凝膠具有高結構完整性、高孔隙率、無細胞毒性、良好機械穩(wěn)定性和獨特磁響應性，通過可編程圖案化可形成宏觀各向異性磁性材料，在磁場下能實現(xiàn)滾動、跳躍、彎曲等不同運動，其生物相容性和功能性有望滿足未來軟機器人在生物醫(yī)學領域的應用需求。 |
一、研究背景與目標
·現(xiàn)狀：刺激響應水凝膠在電子設備、傳感器等領域應用廣泛，但傳統(tǒng)水凝膠致動依賴水環(huán)境且多為單一材料；磁響應材料中含釹顆粒和彈性體的非生物相容性問題突出。
·目標：開發(fā)具生物相容性的磁性水凝膠，通過多材料 4D 打印制備軟致動器，實現(xiàn)空氣中無接觸磁控。
二、材料制備與打印方法
1.磁性納米顆粒（MNPs）合成
·采用共沉淀法，F(xiàn)e²⁺/Fe³⁺摩爾比 1/2，80℃氮氣氛圍下反應，加入 PAA 防團聚，透析除雜后得 Fe₃O₄ MNPs。
·表征：XRD 證實為正交晶系 Fe₃O₄；FTIR 顯示 PAA 與 MNPs 結合；HRTEM 顯示球形及六邊形納米板，粒徑約 20nm，飽和磁化強度 60emu/g。
2.墨水制備
·基于 ALG/MC（重量比 1/1），制備含 0%（P0）、10%（P10）、20%（P20）MNPs 的三種墨水，pH 分別為～6.0、~6.3。
·流變學：具剪切稀化行為，G'>G"，含 MNPs 墨水屈服應力降低（0%:1380Pa，10%:930Pa，20%:630Pa）。
3.4D 打印過程
·設備：BioX 3D 打印機，25G 噴嘴（內(nèi)徑 250μm）。
·條件：壓力 115-130kPa，速度 5mm/s，打印后用 0.5M CaCl₂交聯(lián) 24h，可打印立方體、懸臂、管等結構。
圖1.制造磁性梯度材料的構想。(1)使用含有PAA穩(wěn)定磁性納米顆粒的磁流體，用于(2)制備磁性油墨，其磁流體濃度分別為0%、10%和20%(重量/體積比);(3)磁性材料的多元材料3D打印;(4)多元材料圖案化水凝膠的磁性運動機制(a-滾動、b-跳躍、c-彎曲)。
圖2.磁性納米顆粒的特性。(1)PAA-穩(wěn)定MNPs的XRD圖諾，確認樣品中存在正方晶系的Fe304。(2)PAA-MNPS的ATR-FTIR光諾顯示與穩(wěn)定劑對應的峰(a2-1709cm-1，a3-1401cm-1，a4-1241cm-1)，納米顆拉的峰(c-548cm-1)，以及兩者之間的相互作用峰(b-1549 cm-1)。(3)PAA-穩(wěn)定MNP的HRTEM圖像顯示，在低倍率下觀察時呈球形。在高倍率下觀察時，圖像顯示出六邊形納米板的特征，這是鐵氧化物納米結構(Fe304)的典型特征
三、水凝膠性能表征
1.生物相容性
·L929 成纖維細胞培養(yǎng) 24h，P0 存活率 97.6±7.5%，磁性水凝膠存活率 > 85%，無細胞毒性。
2.結構與孔隙率
·SEM 顯示 MNPs 均勻分散，形成 4-16μm 孔徑的多孔結構，MNPs 不影響孔徑但使表面粗糙。
3.機械性能
四、磁響應致動行為
1.懸臂彎曲
1.P10 彎曲角 30.4±2.5°，P20 達 45.0±1.6°；梯度結構（PG）依磁場方向不同，PG20（高 MNP 側(cè)對磁）彎曲角 42.4±4.0°，PG0（低 MNP 側(cè)對磁）為 21.8±3.8°。
2.立方體跳躍
1.P20 跳 8.0±1.0mm，P10 跳 3.0±1.0mm；梯度結構（PG）可旋轉(zhuǎn)跳躍，黑側(cè)（高 MNP）跳 6.3±0.6mm，白側(cè)幾乎不跳。
3.管（輪）滾動
1.非對稱圖案管可圓周運動（半徑～10cm），對稱圖案管可直線運貨～50cm，甚至爬坡 10°。
圖3.(1)磁性分級水凝膠立方體的多材料3D打印;(2)通過直接打印，使用三種具有不同磁性含量的油墨，以增材方式組裝，從而形成3D納米復合材料結構;(3)單材料和多材料水凝膠結構的各種設計(左側(cè))和打印品(右側(cè))。標尺對應于1厘米。
五、結論與展望
·成果：通過多材料 4D 打印制備了具宏觀各向異性的磁性水凝膠致動器，實現(xiàn)空氣中磁控彎曲、跳躍、滾動，生物相容且機械穩(wěn)定。
·前景：為生物醫(yī)學領域（如微創(chuàng)手術、藥物輸送）的軟機器人提供新方案，圖案化設計可拓展更多功能應用。
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