圖案化多材料磁性水凝膠致動器的4D打印技術介紹
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本文介紹了一種可用于多材料直接墨水打印（4D 打印）軟致動器的新型可打印磁性水凝膠，其由藻酸鹽、甲基纖維素和聚丙烯酸穩定的四氧化三鐵磁性納米顆粒（MNPs）組成，含 0%、10%、20% MNPs 的三種墨水可打印出管、立方體、懸臂等3D 物體。該磁性水凝膠具有高結構完整性、高孔隙率、無細胞毒性、良好機械穩定性和獨特磁響應性，通過可編程圖案化可形成宏觀各向異性磁性材料，在磁場下能實現滾動、跳躍、彎曲等不同運動，其生物相容性和功能性有望滿足未來軟機器人在生物醫學領域的應用需求。 |
一、研究背景與目標
·現狀：刺激響應水凝膠在電子設備、傳感器等領域應用廣泛，但傳統水凝膠致動依賴水環境且多為單一材料；磁響應材料中含釹顆粒和彈性體的非生物相容性問題突出。
·目標：開發具生物相容性的磁性水凝膠，通過多材料 4D 打印制備軟致動器，實現空氣中無接觸磁控。
二、材料制備與打印方法
1.磁性納米顆粒（MNPs）合成
·采用共沉淀法，Fe²⁺/Fe³⁺摩爾比 1/2，80℃氮氣氛圍下反應，加入 PAA 防團聚，透析除雜后得 Fe₃O₄ MNPs。
·表征：XRD 證實為正交晶系 Fe₃O₄；FTIR 顯示 PAA 與 MNPs 結合；HRTEM 顯示球形及六邊形納米板，粒徑約 20nm，飽和磁化強度 60emu/g。
2.墨水制備
·基于 ALG/MC（重量比 1/1），制備含 0%（P0）、10%（P10）、20%（P20）MNPs 的三種墨水，pH 分別為～6.0、~6.3。
·流變學：具剪切稀化行為，G'>G"，含 MNPs 墨水屈服應力降低（0%:1380Pa，10%:930Pa，20%:630Pa）。
3.4D 打印過程
·設備：BioX 3D 打印機，25G 噴嘴（內徑 250μm）。
·條件：壓力 115-130kPa，速度 5mm/s，打印后用 0.5M CaCl₂交聯 24h，可打印立方體、懸臂、管等結構。
圖1.制造磁性梯度材料的構想。(1)使用含有PAA穩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動機制(a-滾動、b-跳躍、c-彎曲)。
圖2.磁性納米顆粒的特性。(1)PAA-穩定MNPs的XRD圖諾，確認樣品中存在正方晶系的Fe304。(2)PAA-MNPS的ATR-FTIR光諾顯示與穩定劑對應的峰(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-穩定MNP的HRTEM圖像顯示，在低倍率下觀察時呈球形。在高倍率下觀察時，圖像顯示出六邊形納米板的特征，這是鐵氧化物納米結構(Fe304)的典型特征
三、水凝膠性能表征
1.生物相容性
·L929 成纖維細胞培養 24h，P0 存活率 97.6±7.5%，磁性水凝膠存活率 > 85%，無細胞毒性。
2.結構與孔隙率
·SEM 顯示 MNPs 均勻分散，形成 4-16μm 孔徑的多孔結構，MNPs 不影響孔徑但使表面粗糙。
3.機械性能
四、磁響應致動行為
1.懸臂彎曲
1.P10 彎曲角 30.4±2.5°，P20 達 45.0±1.6°；梯度結構（PG）依磁場方向不同，PG20（高 MNP 側對磁）彎曲角 42.4±4.0°，PG0（低 MNP 側對磁）為 21.8±3.8°。
2.立方體跳躍
1.P20 跳 8.0±1.0mm，P10 跳 3.0±1.0mm；梯度結構（PG）可旋轉跳躍，黑側（高 MNP）跳 6.3±0.6mm，白側幾乎不跳。
3.管（輪）滾動
1.非對稱圖案管可圓周運動（半徑～10cm），對稱圖案管可直線運貨～50cm，甚至爬坡 10°。
圖3.(1)磁性分級水凝膠立方體的多材料3D打印;(2)通過直接打印，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納米復合材料結構;(3)單材料和多材料水凝膠結構的各種設計(左側)和打印品(右側)。標尺對應于1厘米。
五、結論與展望
·成果：通過多材料 4D 打印制備了具宏觀各向異性的磁性水凝膠致動器，實現空氣中磁控彎曲、跳躍、滾動，生物相容且機械穩定。
·前景：為生物醫學領域（如微創手術、藥物輸送）的軟機器人提供新方案，圖案化設計可拓展更多功能應用。
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