北京师范大学汪辉亮教授课题组：离子喷墨打印技术实现水凝胶的可控复杂变形

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目前，通过图案化方法改变凝胶局部的响应性能是一种有效制备可变形凝胶的方法。其中应用最广泛的是光刻和离子打印图案化方法，这些方法在凝胶上绘制的图案完全依赖于掩模、电极和模板的图案。但是目前制备上述图案模板的技术有限，所以很难在凝胶上绘制大尺寸、复杂和交联度可控的图案。此外，已报道的方法也很难连续、批量地在凝胶表面绘制图案。

基于以上问题，寻找一种通过数字化控制能够批量向大尺寸的凝胶引入交联度可控的复杂图形的新方法就很有必要了。

北京师范大学化学学院汪辉亮教授课题组报道了一种离子喷墨打印(IIP)技术-可用于快速批量地制备可变形凝胶。该方法利用商用平板喷墨打印机向含有聚丙烯酸钠的高强度水凝胶表面喷涂铁离子水溶液实现凝胶表面图案化，由于铁离子能和羧酸根之间形成强的络合作用，从而改变打印了图案部分凝胶的交联度（图1和视频1）。

图1 喷墨打印技术示意图

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1、离子喷墨打印过程

通过离子喷墨打印技术在凝胶表面打印图案有以下几个优点（图2）：

（1）通过一次打印过程就能在大尺寸的水凝胶表面打印批量的图案（图2a）；

（2）计算机辅助设计的复杂图形能被完美地打印在凝胶表面（图2b）；

（3）凝胶的双面都能被打印上对称或不对称的图案（图2c）；

（4）通过改变打印次数和打印具有梯度分布的图案可以打印出渐变图案（图2d）。

图2离子喷墨技术打印的多种图案

由于引入的铁离子可以改变凝胶的溶胀/去溶胀性能，因此可以通过局部离子喷墨打印技术制备可变形凝胶（图3）。在凝胶一面打印，可制备具有弯曲变形能力的凝胶；在凝胶的两面对称打印，可以制备具有膨胀/收缩变形能力的凝胶。另外，可以通过改变打印次数控制凝胶的变形程度。

图3 可变形凝胶的示意图

采用离子喷墨打印技术可以灵活地向凝胶表面引入各种复杂的图形，从而驱动更为复杂的变形过程，得到更为复杂的三维形状（图4和视频2）。

（1） 凝胶单面带有均匀图案：当在六边形凝胶的一面打印上致密六边形图案后，该六边形凝胶可变形得到凸起的三角形；单面带有由玫瑰曲线衍生的图案的凝胶可变形得到凸起的六边形（图4a）。

（2） 凝胶双面带有交错的图案：当在圆环凝胶的两面打印上对称且交错的图案后，该凝胶可变形得到波浪形圆环；当八瓣花凝胶的双面被交错打印后，该凝胶可以变形得到鼎的形状（图4b）。

（3） 凝胶单面带有不均匀的图案：将单面具有不同打印次数的花朵形状的凝胶组装后，可变形得到一朵盛开的莲花；单面的打印次数由中间向两边递减的矩形凝胶可变形得到两端开口较大的圆管（图4c）。

（4） 凝胶双面带有对称的不均匀图案：双面打印次数由中心向边缘递减的圆形凝胶可变形得到带有波浪边缘的圆盘。双面打印次数由中心向两边递减的凝胶“叶子”可以变形得到具有波浪边缘的弯曲凝胶“叶子”（该变形借鉴于百合花叶子的生长结果）（图4d）。

图4 由二维到三维的变形。

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2、二维到三维的变形过程

该工作首次报道了在大尺寸凝胶表面批量打印图案的方法，可应用于商业化批量生产可变形凝胶。另外，该喷墨打印技术也能衍生到含有其它作用力体系的凝胶和墨水中，例如：氢键作用、静电作用、主客体作用或某些化学反应。

论文链接：

https://www.researchgate.net/publication/318472999_Surface_Patterning_of_Hydrogels_for_Programmable_and_Complex_Shape_Deformations_by_Ion_Inkjet_Printing/amp

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