水凝胶是一种含水量较高的聚合物网络，通过将水凝胶与其他高分子材料快速键合形成水凝胶-高分子复合结构，可起到保护、增强水凝胶结构或引入新功能的作用，在生物医疗、柔性电子、软体机器人等诸多领域有着巨大的应用价值。目前研究者主要将精力集中在水凝胶与硅胶间的复合，且结构多为简单的层状结构，极大地限制了其应用。虽然基于数字光处理的3D打印技术可对各种光敏水凝胶和高分子材料进行三维成型，但是水凝胶与其他高分子材料界面间的结合力较弱，如何在打印水凝胶-高分子复合结构的同时增强不同材料间的界面结合力仍然是一个难题。

  近日，南方科技大学机械与能源工程系葛锜副教授课题组与浙江大学曲绍兴教授课题组合作研究发现，利用改性水溶性光引发剂-2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦（TPO）在引发丙烯酰胺水凝胶光聚合反应时的不完全性，使其能与包括弹性体、刚性聚合物、ABS类树脂、形状记忆高分子在内的不同（甲基）丙烯酸酯类树脂形成共价界面，极大地提高了水凝胶-高分子材料的界面结合力。如图1所示，利用该团队自主开发的数字光处理技术多材料3D打印系统，可实现水凝胶-高分子高精度多材料复杂混合三维结构的快速一体化成型。通过三个应用案例，证明了所提出的新方法可以极大地丰富水凝胶-高分子结构与器件的设计自由度，并对其功能和性能实现进一步的提升。

图1. 多材料3D打印水凝胶与其他高分子材料的复合三维结构

  利用该多材料3D打印技术可实现多种水凝胶三维复合材料结构的快速一体化成型。通过刚度增强微结构设计，水凝胶复合材料的模量有几十倍甚至几百倍的提升，如图2所示。此外，通过调节微结构局部尺寸，还可实现对水凝胶复合材料局部刚度的调控。

图2. 多材料3D打印水凝胶复合材料三维结构

  通过该技术制备的具有药物缓释功能的水凝胶-形状记忆高分子（SMP）心血管支架如图3所示。3D打印的形状记忆高分子材料使得心血管支架在体温37℃环境下能够自动展开撑开硬化、狭窄的心血管，而嵌入的水凝胶材料则使其具备了药物缓释功能。

图3. 3D打印的具有药物缓释功能的形状记忆心血管支架

  该技术还可用于多功能软体驱动器的快速一体化成型。如图4所示，通过多材料3D打印离子导电水凝胶与光敏弹性体可将应变传感功能赋予软体驱动器，实现软体机器人的驱动-传感快速一体化成型。

图4. 3D打印的具有应力传感功能的软体驱动器

  该项研究拓宽了水凝胶-高分子材料复合结构成型方法和能力，在开发新型多功能软体器件方面具有较大应用潜力。

  以上相关成果发表在Science Advances上，并被杂志封面重点报道，DOI: 10.1126/sciadv.aba4261。南方科技大学为本论文第一单位，南方科技大学、西北工业大学和浙江大学为本文共同通讯单位。该项研究得到广东省重点领域研发计划、国家自然科学基金等项目资助。

  文章链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/2/eaba4261