在空氣中及水下可自然附著粘合的新合成材料，可實現肢體修復

2020-09-05 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：

據悉，2020年5月於Advanced Functional Materials 上發表的《A Tailorable Family of Elastomeric‐to》一文由來自德克薩斯A&M大學和美國陸軍研究、發展與工程司令部(RDECOM)陸軍研究實驗室(ARL)的研究人員創建了一系列合 可3D列印的，可自我修復的，可回收的成材料，其質地從超軟到極硬，並且它們在空氣或水下自然地彼此粘附。

大自然為人類肢體繪製的藍圖是精心分層的結構，堅硬的骨頭包裹在不同的軟組織(如肌肉和皮膚)中，彼此完美地結合在一起，並且具有內在的癒合作用。然而，用合成材料模仿這些生物啟發性的行為仍然具有挑戰性。常規的模塑和減材製造技術在實現對材料性能的局部控制方面不足。儘管可以使用旋塗或具有不同成分的進料混合材料來創建先進的梯度軟材料，但是直到3D列印技術問世，控制材料成分和所有三維屬性的前景才得以打開。

目前，複雜形狀的多材料物體可以使用先進的印刷技術製造，例如懸浮式附加層擠出製造，其採用複雜的液體油墨配方。油墨的流動性是通過溶劑液體單體來實現的，這些溶劑液體單體的原位聚合或後聚合有助於在逐層印刷過程中實現良好的層間粘合。相比之下，使用更簡單的3D列印技術，如熔融沉積建模(FDM)，很難實現良好的層間結合。FDM技術依賴於熱塑性聚合物長絲或其納米複合材料的使用，與其他3D列印技術相比，它是最簡單和最具成本效益的。然而，無溶劑樹脂的高粘度會導致在逐層沉積過程中層間粘合不良，導致FDM印刷物體的機械強度與使用傳統成型技術製造的物體相比顯著降低。一種提高印刷物體層間強度的方法包括光聚合樹脂會產生不可再加工的永久交聯材料，另一種基於光熱活性無機添加劑的方法需要後處理，並且會對材料性能和可再加工性產生負面影響。

動態共價聚合物網絡為弱的層間附著力提供了解決方案，同時實現了3D列印材料的可再加工性。特別適用於可印刷材料的反應是基於狄爾斯-阿爾德反應(Diels – Alder(DA))——又名雙烯合成，是1928年由德國化學家奧託·迪爾斯（Otto Paul Hermann Diels） 和他的學生庫爾特·阿爾德（Kurt Alder）發現的，他們因此獲得1950年的諾貝爾化學獎。它由共軛雙烯與烯烴或炔烴反應生成六元環的反應，是有機化學合成反應中非常重要的形成碳碳鍵的手段之一，也是現代有機合成裡常用的反應之一。該反應有豐富的立體化學特性，兼有立體選擇性、立體專一性和區域選擇性等。該反應的可逆性可用於製造一系列具有獨特特性的聚合物材料。這些材料的最顯著的特徵是，雖然它們通過共價鍵網絡穩定，因此在環境條件下類似於傳統的熱固性材料，但是它們可以通過加熱到破壞共價鍵網絡的高溫，然後冷卻到環境溫度來重塑。

最近，DA反應的優勢被用來實現3D列印網絡。在該研究中，來自德克薩斯A&M大學和美國陸軍作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室的研究人員探討了可逆的共價DA反應，以引入一系列可重印的共價交聯聚合物網絡。通過調整單一聚合物的化學性質，創建了一系列合成材料，其質地從超軟到極硬。這些材料是3D可列印的，可自我修復的，可回收的，並且可以在空氣或水下自然地彼此粘附。

研究人員已經開發出一種新的聚合物系列，它們可以自我修復，具有形狀記憶和可回收利用。圖片來源：德克薩斯A&M大學

材料科學與工程系教授Svetlana Sukhishvili博士——該研究的通訊作者表示該新合成材料其他令人希望的特性，例如3D可列印性和在幾秒鐘內自我修復的能力，使其不僅適用於更逼真的假肢和軟機器人，而且還非常適合廣泛的軍事應用，例如飛機和未來派的敏捷平臺自愈飛機機翼。

在空氣中可自然附著粘合的新合成材料，可實現肢體修復

在水下可自然附著粘合的新合成材料，可實現肢體修復

研究人員還指出，他們的材料是可重新編程的。換句話說，在被設置為一種形狀之後，可以僅通過加熱使它們變為不同的形狀。

3D列印手的傳統形狀記憶行為（頂部），並通過在80°C下變形採用新的永久形狀來重寫DAP網絡的形狀記憶。

美國陸軍研究實驗室的研究工程師Frank Gardea博士表示目前他們可以輕鬆地在室溫下實現約80%的自愈，但希望達到100%。而且，希望使材料對除溫度以外的其他刺激(例如光)做出響應，。在接下來的過程中，他想探索引入一些底層的智能，以便這些材料知道可以自動適應，而無需用戶啟動該過程。

本文來源：DOI: 10.1002/adfm.202002374

參考：K. Yang, J. C. Grant, P. Lamey, A. Joshi‐Imre, B. R. Lund, R. A. Smaldone, W. Voit, Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 11.

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