最新成果！江南大学研发新一代4D打印水凝胶！
近十年来，以功能水凝胶为代表的智能材料得到迅速发展。从pH、光和温度敏感材料，到形状记忆和自修复水凝胶，再到能够3D或4D打印的材料，水凝胶的功能和应用领域不断得到拓展。其中，具有时间依赖和刺激响应的形状记忆性3D打印水凝胶已开启新一代4D打印模式。
4D打印材料通过固定临时形状并逐渐恢复到原始形状，被赋予了随时间动态变化的新功能。在实际应用中，通过可逆共价键（如亚胺、酰腙键、二硫键等）生成的水凝胶，不仅提供了合适的粘度和剪切稀化特性，而且还具有自愈合、刺激响应和形状记忆功能。然而，目前的形状记忆4D打印水凝胶以有机合成高分子为主，生物相容性不佳；而由胶原、明胶或透明质酸等天然高分子制成的水凝胶往往缺乏良好的机械强度。因此，亟待开发可用于生物医学领域、兼具优异生物相容性及良好机械强度的4D打印水凝胶。
近期，江南大学生命科学与健康工程学院陈敬华团队在《生物大分子》（Biomacromolecules） 上发表题为：可用于4D打印，具有自愈合、形态记忆、细胞相容性的动态键明胶水凝胶的研究论文 ，以天然高分子明胶为基础，与糠醛、聚乙二醇双马来酰亚胺交联，嵌入温敏剂HPASi，构建了基于亚胺/Diels-Alder（DA）反应的动态键双网络水凝胶，在生物医学、传感器和软体机器人等领域具有巨大的应用潜力。
那么，该4D打印水凝胶具体有何优异特性？我们下面来做一一解答：
1 制作过程简单 绿色环保
基于动态共价键的反应特性，本实验只需将氨基功能化明胶、糠醛、聚乙二醇双马来酰亚胺和温度响应剂HPASi以预先设定的浓度混合，并在40 °C下搅拌30 min，倒入模具中，随后在65 °C的烘箱中干燥8 h，即可得到4D打印水凝胶。逐步增加HPASi的浓度，分别制备得到DNG-1、DNG-2、DNG-3三组不同的水凝胶。
图1 水凝胶制备过程示意图
在随后的表征中，除去预期的亚胺键的形成和DA反应的发生，我们还意外发现该氨基与马来酰亚胺也会发生共轭加成反应。基于此，我们将氨基功能化明胶和聚乙二醇双马来酰亚胺混合制备成一薄膜，测试其稳定性。结果表明，该薄膜在酸性或高温的情况下都具有极好的稳定性。
图2 (NH2-Gel)-(Mal-PEG-Mal) 薄膜在不同条件下的照片
3 力学性能优异 结构致密
测试表明，水凝胶不但具有良好的力学拉伸性能，还有良好的溶胀性能、剪切稀化性能和自愈合性。将该水凝胶分成两部分，在室温下重叠并压上重物，愈合后的水凝胶形成一个整体，不仅可承载200 g的重物，而且拉伸应力-应变测试结果表明其力学性能仍能恢复60 %左右。
图3 (a)水凝胶和原料的FT-IR谱；(b)水凝胶的拉伸应力−应变曲线；(c)水凝胶在37℃的PBS溶液中的溶胀行为；(d)水凝胶的流变性
图4 DNG-3水凝胶的自愈合性能：（a）水凝胶的切割和重叠；（b）愈合后的水凝胶可悬挂200 g的重量；（c）与原始样品相比，自愈水凝胶DNG-3和对照组的机械强度
4 记忆形状显著 可塑性强
该水凝胶的形态记忆功能通过室温条件下临时固定的折叠形态在高温环境的展开角度和速度来表征。结果表明，随着水凝胶中HPASi浓度的增加，展开的角度逐步增大，形状恢复的时间大大缩短。
图5 水凝胶从完全折叠状态恢复所需的时间和最终展开角：（a）对照；（b）DNG-1；（c）DNG-2和（d）DNG-3
我们设置了几组形象的实验以观察水凝胶的形状记忆性能：比如通过水凝胶形变介导的导线开合，诱发灯泡的点亮或熄灭；花瓣形状的水凝胶可随着温度的升高，变成了折叠的状态；十字形的水凝胶在加热后变为折叠和夹爪状，且可抓取一定的重物。
图6 （a）不含HPASi的水凝胶的形状记忆性能；（b）灯泡开关；（c）花瓣闭合；以及（d）抓取5 g重量的图片
5 4D打印与生物相容性优异
测试了不同条件对4D打印效果的影响。当打印的平台温度升高至为65 °C时，恢复时间明显延长。随着HPASi浓度的降低，使得材料的展开角从125 °降至93 °，恢复时间延长至155 s。此外，将打印网格结构的尺寸也有一定影响，将其从4×4调整为6×6。其形状恢复速度提升两倍，缩短到68 s，并且最终展开角度从125 °增加到137 °。
图7 不同因素对3D打印网络形态记忆功能的影响；（a）HPASi浓度为5.0 mM，25 °C时4×4网格；（b）温度调节到65 °C；（c）HPASi浓度调节到3.75 mM；（d）网格大小调节到6×6
最后，MTT实验和激光共聚焦显微镜实验表明制备的所有4D打印水凝胶生物相容性良好。
图8 (a)MTT法测定水凝胶提取液对3T3细胞存活率的影响。水凝胶表面3T3细胞培养的激光共聚焦图像：(b)对照组、(c)DNG-1、(d)DNG-2和(e)DNG-3
本项工作基于生物相容性的明胶材料，通过亚胺/Diels-Alder动态键双网络连接，以及与HPASi试剂的二次交联，开发了一系列可3D打印、高力学强度和细胞相容性的形态记忆水凝胶。双交联网络结构的引入使水凝胶具有优异的热稳定性、耐酸性、力学强度和延展性；交联剂HPASi的嵌入使水凝胶的自愈合和形状记忆性能显著增强。该材料不仅可直接进行3D打印，而且可发生随时间推移的温度响应性形状变化，适用于多种4D打印场景需求，在生物医学、传感器和软体机器人等领域具有巨大的应用潜力。
