新利18官方3D打印强韧水凝胶

资料来源：©2020 EPFL

自然的材料和皮肤一样，软骨和肌腱也足够坚韧，足以支撑我们的体重和运动，但也足够灵活，不容易断裂。尽管我们认为这些特性是理所当然的，但在合成材料中复制这种独特的组合比听起来要困难得多。现在，EPFL的科学家们已经开发出一种新的方法来制造坚固、柔软的复合聚合物，这种聚合物更接近于自然界中发现的材料。他们的突破可能在软机器人和软骨等领域得到应用假肢的植入物。

通常是合成的水凝胶分为两种截然不同的材料类别。第一种类型，包括窗户玻璃和一些聚合物，坚硬且承重，但在吸收能量方面出了名的差：即使是最轻微的裂缝也可以通过结构传播。第二组材料更能抵抗开裂，但有一个折衷办法：它们非常柔软——事实上非常柔软，无法承受重载。然而，一些天然复合材料——由生物材料和蛋白质（包括胶原蛋白）组合而成——既坚固又抗裂。这些特性归功于其高度精确的结构，从纳米级到毫米级：例如，编织纤维被组织成更大的结构，进而形成其他结构，等等。

EPFL软材料实验室助理教授、论文主要作者埃丝特·阿姆斯塔德（Esther Amstad）说：“我们离在如此多不同的尺度上控制合成材料的结构还有很长的路要走。”。然而，马特奥·赫希（Matteo Hirsch）和阿尔瓦罗·查尔特（Alvaro Charlet）——两位在阿姆斯达（Amstad）指导下工作的博士助理——已经设计出一种新的合成复合材料制造方法，他们从自然世界中获得了灵感。Amstad解释说：“在自然界中，基本构建块封装在隔间中，然后以高度本地化的方式释放。”。“这一过程对材料的最终结构和局部成分提供了更大的控制。我们采取了类似的方法，将我们自己的建筑块安排在隔间中，然后将它们组装成上部结构。”

首先，科学家们将单体封装在水和油乳液的液滴中，作为隔室。在液滴内部，单体结合在一起形成聚合物网络。在这一点上，微粒是稳定的，但它们之间的相互作用很弱，这意味着材料不能很好地结合在一起。接下来，微粒——像海绵一样具有高度多孔性——被浸泡在另一种单体中，然后材料被还原成一种糊状物。正如阿尔瓦罗·夏利特所说，它的外观“有点像湿沙，可以被塑造成沙堡”。

然后科学家们3D打印将糊状物粘在一起，并将其暴露在紫外线辐射下。这导致在第二步添加的单体聚合。这些新的聚合物与工艺早期形成的聚合物缠绕在一起，从而使膏体硬化。这就产生了一种非常坚固、耐磨的材料。研究小组表明，直径仅为3 mm的管道可以承受高达10 kg的拉伸载荷和高达80 kg的压缩载荷，而不会损坏其结构完整性。

他们的发现有潜在的应用前景软机器人技术在那里，模仿活体组织特性的材料备受追捧。这一开创性的过程也可用于开发生物相容性软骨修复材料植入物.

这项研究发表在先进的功能材料。