圖案化多材料磁性水凝膠致動(dòng)器的4D打印技術(shù)介紹

 

圖1.制造磁性梯度材料的構(gòu)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(yùn)動(dòng)機(jī)制(a-滾動(dòng)、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(rèn)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(duì)應(yīng)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(shí)呈球形。在高倍率下觀察時(shí)，圖像顯示出六邊形納米板的特征，這是鐵氧化物納米結(jié)構(gòu)(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(xì)胞培養(yǎng) 24h，P0 存活率 97.6±7.5%，磁性水凝膠存活率 > 85%，無(wú)細(xì)胞毒性。

2.結(jié)構(gòu)與孔隙率
·SEM 顯示 MNPs 均勻分散，形成 4-16μm 孔徑的多孔結(jié)構(gòu)，MNPs 不影響孔徑但使表面粗糙。

3.機(jī)械性能

四、磁響應(yīng)致動(dòng)行為
1.懸臂彎曲
1.P10 彎曲角 30.4±2.5°，P20 達(dá) 45.0±1.6°；梯度結(jié)構(gòu)（PG）依磁場(chǎng)方向不同，PG20（高 MNP 側(cè)對(duì)磁）彎曲角 42.4±4.0°，PG0（低 MNP 側(cè)對(duì)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(jié)構(gòu)（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(dòng)
1.非對(duì)稱圖案管可圓周運(yùn)動(dòng)（半徑～10cm），對(duì)稱圖案管可直線運(yùn)貨～50cm，甚至爬坡 10°。

圖3.(1)磁性分級(jí)水凝膠立方體的多材料3D打印;(2)通過(guò)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(fù)合材料結(jié)構(gòu);(3)單材料和多材料水凝膠結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計(jì)(左側(cè))和打印品(右側(cè))。標(biāo)尺對(duì)應(yīng)于1厘米。

五、結(jié)論與展望
·成果：通過(guò)多材料 4D 打印制備了具宏觀各向異性的磁性水凝膠致動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)空氣中磁控彎曲、跳躍、滾動(dòng)，生物相容且機(jī)械穩(wěn)定。

·前景：為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（如微創(chuàng)手術(shù)、藥物輸送）的軟機(jī)器人提供新方案，圖案化設(shè)計(jì)可拓展更多功能應(yīng)用。

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