磁性软体变形结构具有远程驱动、无约束、操控性强及可穿透封闭空间的优势，在软体机器人以及生物医疗等领域展现出较大的潜力。近年来，关于磁性软体变形结构的研究层出不穷，成为软体机器人的研究热点。水凝胶作为常见的软材料，具有良好的生物相容性、刺激响应性的特点，是制造软体机器人的良好材料。然而关于磁性水凝胶的变形结构鲜有报道，因为水凝胶含有大量水分，磁粉含量有限，磁化强度较低，难以在静态磁场中驱动。

  针对此问题，西安交通大学航天航空学院唐敬达副教授等人，采用直写打印制备了磁性水凝胶/硅橡胶的异质结构，利用磁性温敏水凝胶的磁热效应实现了复杂变形，并展示了该变形结构在磁热疗方面的初步应用。 研究成果以“Programmable shape transformation of 3D printed magnetic hydrogel composite for hyperthermia cancer therapy”为题发表在《Extreme Mechanics Letters》上。

  研究人员基于课题组之前的3D打印异质结构的强韧粘接技术（Adv. Funct. Mater. 2019, 1901721）和水凝胶磁热驱动变形原理（ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019, 11, 21194?21200），提出了磁性水凝胶/硅橡胶异质变形结构的3D打印方法。为实现水凝胶磁控复杂变形结构，需要对磁性水凝胶的打印性能、力学性能、磁学性能和粘接性能四个方面进行调控。

图1 磁性水凝胶/硅橡胶异质变形结构的3D打印

  首先打印了磁性水凝胶的复杂结构及磁性水凝胶/硅橡胶异质结构，通过拉伸 “熊猫”图案，直观地展示了磁性水凝胶/硅橡胶异质结构具有良好的界面粘接性能，为水凝胶磁控复杂变形结构的制造奠定了基础。

图2 磁性水凝胶与磁性水凝胶/硅橡胶异质结构

  其次，作者对磁性水凝胶的磁学性能、力学性能和粘接性能进行了定量表征。

图3 磁性水凝胶的磁学、力学、粘接性能

  设计了多种磁性水凝胶/硅橡胶异质结构，通过3D打印的方式予以实现，在动态磁场中驱动变形。 

图4水凝胶磁控复杂变形结构

  最后，开展了水凝胶磁控变形结构包裹肿瘤细胞（黑色素瘤细胞），并进行磁热疗的体外细胞实验，结果表明该变形结构对肿瘤细胞的杀死率高达50%。

图5水凝胶磁控变形结构包裹肿瘤细胞进行磁热疗

  该研究工作发表于Extreme Mechanics Letters。西安交通大学唐敬达副教授为第一作者，王铁军教授为通讯作者。西安交大前沿院郭保林教授为论文合作作者。

  论文信息及链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431621000778

作者简介：

  唐敬达，西安交通大学副教授，北京大学与哈佛大学联合培养博士（导师为方岱宁院士和锁志刚院士），2017年进入西安交通大学航天航空学院工作，在软物质力学领域开展研究。发表论文20余篇，其中以第一/通讯作者发表在Matter,J. Mech. Phys. Solids, Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。

  下载：Programmable shape transformation of 3D printed magnetic hydrogel composite for hyperthermia cancer therapy