水凝胶材料具有柔软、生物相容性和对刺激的相应性等特点，在柔性电子、生物医疗和可驱动机器人等领域有着重要的应用潜力。相比传统铸造成型的水凝胶制备工艺，通过3D打印技术可以制备出具有复杂几何形状的水凝胶结构，近年来发展的一种基于数字光处理（DLP）技术的可3D打印聚丙烯酰胺水凝胶具有较高的打印分辨率和高度的可拉伸特性，但模量、强度、断裂能和疲劳阈值较低，限制了其在实际中的应用范围。
针对上述问题和挑战，
清华大学航天航空学院
李晓雁教授
课题组
向可3D打印水凝胶前驱体溶液中引入芳纶纳米纤维（ANF），并在紫外线下固化，合成了由芳纶纳米纤维增强的可3D打印水凝胶复合材料。
扫描电镜和红外光谱表征了芳纶纳米纤维和水凝胶链之间形成了额外交联点以及大量的氢键，同时较长的芳纶纳米纤维与水凝胶链缠结，并由于亲水性不同产生相分离（图1）。力学性能测试表明，与未增强的水凝胶相比，仅引入0.3wt%的芳纶纳米纤维使得水凝胶的模量提高约30倍，强度、断裂能和疲劳阈值提高约一个数量级，同时能够保持较高的断裂延伸率（图2、图3）。芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料的模量、强度和疲劳阈值的提高是由于自由基聚合过程中形成了芳纶纳米纤维和水凝胶链的混合网络，而断裂能的提高则主要与长链缠结和大量氢键的能量耗散机制有关。
图1. 芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料的制备与表征
图2.芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料的单轴拉伸和断裂能测试
图3.芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料的疲劳性能测试
芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料可以用于制备具有复杂几何形状的点阵结构和生物组织结构，并具有较高的3D打印分辨率和良好的生物相容性，与其他基于DLP技术的可3D打印水凝胶相比展现出优异的力学性能和打印分辨率（图4）。在前驱体溶液中加入电解质可以使芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料具有导电性，其电阻值随着应变的改变而变化，通过3D打印制备的压力传感器在10000周疲劳加载下能够保持稳定的力学性能和电学性能（图5）。此研究为改善基于DLP的3D打印水凝胶的力学性能提供了一个普遍而有效的策略。
图4.芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料的3D打印、生物相容性和性能对比
图5.芳纶纳米纤维增强的水凝胶复合材料作为柔性电子器件的应用
基于上述成果，李晓雁课题组近日在《今日材料》（Materials Today）上发表题为“芳纶纳米纤维增强的强韧、抗疲劳的可3D打印水凝胶”（Strong, tough, fatigue-resistant and 3D-printable hydrogel composites reinforced by aramid nanofibers）的研究论文，同时取得了相应的国家发明专利。
清华大学航天航空学院
李晓雁教授
和南方科技大学
葛锜副教授
为本文的共同通讯作者。清华大学航天航空学院2020级博士研究生邢汉峥为论文第一作者。清华大学航天航空学院2022届博士毕业生王宇嘉和2018届博士毕业生张璇也参与了该研究工作。该研究得到了国家自然科学基金委重要研究计划培育项目、创新群体项目等项目的资助。
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.020
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