《Science》高度纠缠聚合物网络水凝胶的增材制造！

宾夕法尼亚大学Jason A. Burdick教授团队，在《Science》上发布了一篇题为“Additive manufacturing of highly entangled polymer networks”的论文。论文内容如下：

一、摘要

在单一网络中引入聚合物链的缠结可以协同提高材料的刚度和韧性，然而通过桶式光聚合增材制造（例如，数字光处理（DLP））实现如此密集的缠结仍然是一个挑战。作者报告了一种简单的策略，结合了光聚合和暗聚合，使得构成聚合物链在打印结构形成时能够密集缠结。这种可推广的方法在室温下实现了高单体转化率，无需在打印后额外的刺激（如光或热），并且能够增材制造出高度缠结的水凝胶和弹性体，其延展能量相比传统DLP提高了四到七倍。作者利用这种方法打印了高分辨率和多材料结构，具备对湿组织的空间编程粘附等特性。

二、背景介绍

纠缠在自然界中无处不在，从染色体DNA到蠕虫的动态缠绕都有实例。聚合物熔体中的纠缠已得到充分研究；然而，纠缠对聚合物网络疲劳和断裂中的作用最近才受到重视。与化学交联不同，纠缠作为非永久性交联，在应力下能够相互滑动，从而在不导致脆化或滞后的情况下同时提高材料的模量和韧性。因此，利用纠缠作为材料中的增强剂的方法逐渐增加，包括那些通过新兴的基于光刻的增材制造技术生产的材料，如数字光处理（DLP）、连续液体界面生产或计算轴向光刻。由于聚合物熔体具有极高的粘度，因此在这些方法中均匀加工已存在纠缠的聚合物熔体具有挑战性。因此，需要开发低粘度（单体或低聚物）树脂以在聚合物链形成时引入纠缠，实现链的同时生长和密集的链纠缠需要对树脂成分（即单体、交联剂和光引发剂）进行精确控制。一种方法是使用异常低的光引发剂浓度（<0.01 wt.%），但这会导致反应速率缓慢（持续数小时），这与许多依赖于几秒内快速交联的桶式光聚合技术（例如DLP）不兼容（图1A）。高光引发剂浓度或辐射曝光显著加快聚合反应，但这些方法会导致过多的引发点和链终止事件，从而建立具有高悬垂端比例的网络。这些悬垂端上的纠缠未被共价交联所捕获，因此在拉伸下无法承受更高的负载。因此，对于高度纠缠的聚合物网络的大桶光聚合存在一个权衡关系：即制造时需要快速反应，但这会减少聚合物的拥挤程度和有效纠缠的形成。

三、内容详解

3.1 结合光聚合与暗聚合用于三维打印

DLP是一种前景广阔的自下而上的桶式光聚合方法，能够通过逐层投影二维切片图像来高速制造三维（3D）物体。 尽管DLP具有良好的发展潜力，但加工参数（如用于控制分辨率的光 衰减 添加剂 、氧气抑制以及自由基介导的链增长反应的扩散限制）可能会在单体转化中引入梯度，从而降低长聚合物链的总浓度并降低打印物体的强度（图1B）。 为了解决这种机械性能与可加工性之间的矛盾，在本研究中，作者提出了一种通过氧化还原引发的光照后一步连续固化（CLEAR）工艺，采用桶式光聚合方法形成高度纠缠的聚合物网络。CLEAR允许空间光照（即光聚合）设定物体的形状，而互补的氧化还原反应（即暗聚合）则使物体内未反应的单体缓慢地达到完全转化，从而实现高浓度的聚合物链的纠缠（图1C）。该连续固化过程在室温下进行，无需额外的光或热步骤。

作者首先展示了CLEAR在水凝胶加工中的应用。尽管水凝胶在组织修复、药物递送以及生物医学设备方面引起了广泛关注，但3D打印水凝胶的机械性能通常显著低于采用铸造或模具成型的方法所形成的水凝胶。作者选择丙烯酰胺作为模型单体，并以低浓度的双丙烯酰胺作为交联剂。当通过反应速率非常慢的铸造形成水凝胶时，水凝胶包含密集的缠结和稀疏的交联，从而实现高模量和高韧性。对于打印，DLP树脂含有单体、交联剂、光引发剂和光吸收剂的混合物，而 CLEAR 树脂包含相同的成分，并在 3D 打印之前添加了氧化还原引发剂。在没有交联剂的情况下，用 DLP 和 CLEAR 树脂制备的薄膜 (100 毫米) 的 1 H 核磁共振 (NMR) 光谱表明，CLEAR 中丙烯酰胺消失，聚丙烯酰胺出现 (转化率 ~98%)，而 DLP 中 ~95% 的丙烯酰胺未发生反应 (图 1D)。当使用傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 测量时，薄膜的曝光 (与打印过程中传送到单层的能量 0.2 J cm^−2 相同) 导致 DLP 和 CLEAR 树脂在辐照过程中的转化率接近 20% (图 1E)。虽然 DLP 的转化率在辐照后保持不变，但 CLEAR 的转化率稳步增加到 100%，因为氧化还原反应 (暗聚合) 完全消耗了未反应的单体。与 DLP 相比，这种暗聚合也反映在 CLEAR 的储能模量 (G′) 随时间推移而增加，而 DLP 的 G′ 在光照后保持不变（图 1F）。

图1. CLEAR打印。（A）底部向上的桶式光聚合示意图，其中液体前体树脂(含有单体，交联剂，光引发剂和光吸收剂)在受控光照射下交联成为3D打印物体。（B）DLP需要快速光交联，高光引发剂浓度和低粘度树脂。由于快速引发和不完全转化，所得聚合物网络含有低浓度的长链，且纠缠减少。（C）CLEAR打印将氧化还原引发剂引入树脂中，使光照射设定零件的形状，而氧化还原引发剂允许未反应单体缓慢而稳定地转化，从而产生具有高浓度长聚合物链和更大物理纠缠的网络。（hn，光照射；RT，室温（环境条件）；Dt，随时间变化）。（D）在没有交联剂的情况下，通过DLP和CLEAR树脂制备的薄膜（厚度为100mm）的1H NMR谱，以跟踪加工后（i）丙烯酰胺（单体）和（ii）聚丙烯酰胺（聚合物）信号的存在。（E）通过FTIR随时间变化的C=C峰转化率（cC=C，百分比），以及（F）通过流变学随时间变化的储存（G′，帕斯卡）和损失（G″，帕斯卡）模量，暴露于与DLP和CLEAR过程相匹配的条件下（紫色阴影区域表示t = 10秒的光照射，模拟DLP过程中每层的暴露能量）

DLP 和 CLEAR 水凝胶树脂被 3D 打印成固体物体，并膨胀至平衡状态。使用 CLEAR 打印的水凝胶在拉伸下的弹性模量（ET）和断裂功（Wf）分别比使用 DLP 打印的水凝胶增加了近两倍和四倍，其性能与铸造获得的材料相匹配（图 2A-C）。CLEAR 打印的水凝胶能够承受高达 250 kPa 的标称应力（相当于接近 1 MPa 的真实拉伸强度），而 DLP 打印的水凝胶则明显较弱，在低拉伸延伸下发生断裂（图 2D 和视频 S1）。通过原子力显微镜（AFM）在纳米尺度上进行映射时，CLEAR打印水凝胶的模量比DLP制造的水凝胶高出3.5倍（图2E），这一现象在整个z层深度中均有观察到，这意味着CLEAR驱动整个打印部分达到更高的转化率，而不仅仅是最外层的xy层。尽管是 3D 打印和膨胀的，但 CLEAR 打印的高度缠结的单网络水凝胶的 ET 和 Wf 达到或超过了报道的单网络水凝胶的 ET 和 Wf 值（图 2F ）。

视频 S1

综合来看，CLEAR打印水凝胶强度的增加可以归因于以下两个方面：（i）由于转化率提高，聚合物含量增加，从而增强了承载能力；（ii）链缠结的密度提高，这些缠结在低应变下作为交联点，通过链间传递张力，而在高应变下则发生滑移，从而防止灾难性失效。

图2. CLEAR技术使得具有改善机械性能的高度缠结水凝胶的3D打印成为可能。(A) 典型的拉伸应力-拉伸曲线，(B) 弹性模量（ET，千帕），以及 (C) 断裂功（Wf，千焦每立方米）用于DLP或CLEAR打印的水凝胶。(D) DLP或CLEAR打印的3D环的拉伸强度通过其承重能力进行说明。比例尺，10毫米。(E) (i) 沿z深度的模量（E，兆帕）及(ii) DLP或CLEAR打印的水凝胶的归一化模量（ENORM）的不同分布图。(F) 将作者目前的研究与之前报道的单网络水凝胶（标注为“铸造”或“打印”或完全“膨胀”后）在ET和Wf方面进行比较。PEGDA，聚（乙烯醇）二丙烯酸酯；MeHA和NorHA，分别为甲基丙烯酸酯和诺尔本烯修饰的透明质酸；GelMA，明胶甲基丙烯酰胺；Am，丙烯酰胺；PLL，基于聚（L-赖氨酸）的交联丙烯酰胺水凝胶。

3.2 高分辨率和多样化三维结构的清晰打印

CLEAR打印技术有助于解决高度缠结水凝胶的机械性能与可加工性之间的冲突。与可能因无法支撑自身重量或从构建平台上恢复而难以加工的软性或脆性水凝胶不同，高度缠结的水凝胶可以被加工成结构复杂的材料。CLEAR技术允许在水凝胶中生成多样的拓扑结构（例如，模仿小梁骨的特征、结状几何形状、具有互连空隙的螺旋结构或大孔隙格子结构）或开放通道（图3A）。DLP和CLEAR均实现了高打印分辨率和保真度（名义xy和z负特征尺寸约为400μm，即使在膨胀后也能保持），且黑暗聚合不会对分辨率产生负面影响。CLEAR还可以用于多材料打印，以在z和xy方向上创建异质区域（如图3B所示），并形成符合曲面形状的多孔几何结构，从而产生“刚性但灵活”的材料（图3C）。此外，CLEAR打印的水凝胶可以被塑造成auxetic结构，例如超材料格子（如八面体桁架）（图3D和视频S2）或线圈（图3E），能够在施加压缩或拉伸载荷时保持最小的滞后（通过这些结构在去除载荷后能够恢复其原始形状而不发生塑性变形来证明）。最后，受到之前光刻打印进展的启发,CLEAR技术可进行修改以实现连续打印方法，从而进一步加快加工时间。

视频S2

在将不同类型的印刷组件整合为单一结构方面也引起了极大的兴趣（例如，嵌入电子传感器或集成微流体电路），而这在传统印刷中面临着挑战。这项工作表明，CLEAR作为一种退火技术，可用于组装3D打印的水凝胶器件，而无需任何额外的试剂或基底功能化（图3F）。当两个（或更多）水凝胶接触时，持续的氧化还原反应（通过 CLEAR）会导致界面处形成缠结的聚合物网络。这种方法提供了强大的机械联锁，从而产生了与水凝胶本身的断裂韧性相似的高集成强度（650 J m^−2）。值得注意的是，集成强度会随着接触前的时间（从接触后立即到 4 小时）而降低，而实现高集成强度的时间窗口取决于氧化还原引发剂的浓度和打印所需物体所需的时间。

图3. 通过CLEAR处理高度纠缠的水凝胶以形成具有复杂拓扑结构的三维物体。(A) (i) 骨小梁结构的照片和 (ii) 通过CLEAR制造的具有负泊松比的补丁的荧光显微照片。比例尺，10毫米。(B) 通过液态树脂的切换进行多材料CLEAR打印，并使用不同的荧光示踪剂（黄色和灰色）进行可视化。多材料水凝胶的荧光显微照片呈现为 (i) 格子形状（z方向）和 (ii) 轴向补丁（xy方向）。比例尺，5毫米。(C) 硬水凝胶处理成多孔、柔性补丁的照片，(i) 适应于底部曲面基材，并且 (ii 和 iii) 可伸展。比例尺，30毫米。通过 (D) (i至iv) 负泊松比八面体桁架的压缩和 (E) (i至iv) 三维线圈的拉伸展示形状恢复而无永久变形。比例尺，10毫米（D）和5毫米（E）。(F) 组装和退火具有开放通道的CLEAR打印水凝胶，以形成封闭的蛇形通道，拍摄了 (i) 正面和 (ii) 侧面的视图。比例尺，10毫米。(iii) 通过180°剥离测试测量的CLEAR退火水凝胶的结合强度（焦耳每平方米）。

3.3 利用CLEAR打印技术进行组织粘附的空间编程

水凝胶因其物理性质的可调性和药物传递能力而被开发为多功能组织粘合剂。 然而，由于界面裂纹容易导致内聚破坏，因此难以粘附坚硬但易碎的水凝胶。因此，亟需提高材料的韧性以耗散机械能量并限制裂纹扩展。 已有多种方法（例如，交错聚合物网络或软硬区域复合水凝胶）被提出以增强水凝胶的韧性；然而，这些系统通常需要多步骤的制造过程，并表现出显著的机械滞后现象。

由于其单网络设计和能够三维打印预定义几何形状的能力，这些材料的粘附性得到了显著提升（图4A）。为促进通过界面键合形成的粘附，羧酸基团被引入到高度缠结的水凝胶中。CLEAR打印的高度缠结粘附水凝胶（丙烯酰胺与丙烯酸的摩尔比为1:1）表现出高达220 kPa的弹性模量（ET）和774 kJ m^−3的断裂能（Wf），分别是仅使用数字光处理（DLP）打印的水凝胶的近6倍和4.6倍，同时展现出低滞后性（在拉伸2时为12.6%），以及高于95%的人体间充质基质细胞活性 。在将水凝胶应用于离体猪心组织时，观察到通过物理交联（即氢键或静电相互作用）所实现的强大粘附性，并且通过与一种成熟的桥接聚合物（例如壳聚糖）的机械嵌锁进一步增强了粘附的稳定性。CLEAR打印的粘附水凝胶在应用于多种湿猪组织（例如心脏、肺、胃、小肠或肌腱）时，展现出高达265至895 J m^−2的界面韧性（Gint）和高达50 kPa的剪切强度（图4B）。

坚韧的水凝胶可以快速制成所需形状，而这些形状的特征很难通过传统的铸造或模塑方法实现。例如，3D 打印可以将水凝胶加工成膨胀结构，使其具有较大的弯曲柔顺性，以贴合器官（例如猪心脏）的曲面（视频 S3），即使在有血液的情况下也是如此（图 4C）。在高度缠结的粘性水凝胶内通过 CLEAR 打印开放式凹槽，有助于在组织界面直接形成封闭通道而不会发生泄漏，可用于局部输送治疗剂或输送试剂以触发分离（图 4D）。使用可编程非线性切割技术对水凝胶进行 CLEAR 打印可实现定向粘附，其中正向方向捕获扩展的裂缝并将其引导至反向方向，以实现高而稳定的粘附力（FS = 2.2 ± 0.6 N），而反向剥离仅需要 0.4 N（约低五倍）的力（图 4E 和视频 S4）。与未图案化的水凝胶相比，这种方法在不改变材料成分的情况下将粘附力和剥离力提高了两倍。

视频 S5

在某些应用（例如可拆卸伤口敷料）需要时，调整水凝胶的空间粘附性以确保可逆性可能具有挑战性（42）。虽然可以使用超声波或修改基材来实现图案化，但这些方法在 3D 复杂性方面受到限制，而多材料 CLEAR 打印是一种简单的方法，可以在 z 或 xy 方向上离散化“粘性”（丙烯酰胺和丙烯酸）和“滑性”（丙烯酰胺）区域。当应用于组织时，CLEAR 打印贴片内的滑性区域无法粘附，这有助于轻松移除而不会损坏下面的基材，而粘性区域可确保贴片与组织粘合（图 4F ）。 多材料 CLEAR 打印可用于将高含水量水凝胶粘合到弹性体上，从而克服了铸造和成型方法的挑战。多材料 CLEAR 打印还允许将粘合性水凝胶层与弹性体集成，从而形成具有组织粘合性的功能性水凝胶-弹性体混合物，并克服了桥接聚合物渗透性低的问题（图 4G ）。这些例子展示了3D打印和CLEAR的未开发潜力，为下一代基于水凝胶的组织粘合剂在感知、监测和管理人类健康方面的设计开辟了新的途径。

图4. 通过CLEAR打印高度交织的水凝胶实现的可空间编程组织粘附。（A）示意图表示高度交织的水凝胶通过桥接聚合物（壳聚糖）介导与组织的粘附以及物理分子间键的形成。（B）水凝胶与各种湿润的离体猪组织的牢固粘附，记录为界面韧性（Gint，每平方米焦耳）。（C）多孔贴片的照片（i）在离体猪心脏存在血液的情况下施加前和（ii）施加后。比例尺，30毫米。（iii）水凝胶在无血液或有血液情况下的界面韧性（Gint，每平方米焦耳）。（D）水凝胶包含开放槽的通道在与离体猪胃组织的粘附后形成的示意图。照片显示（i和ii）通过追踪剂灌流观察到通道的牢固密封。比例尺，10毫米。（E）通过3D打印的变形生物粘合剂实现的定向粘附，基于控制裂纹传播方向。照片显示（i）离体猪心脏组织中正向（高强度）和（ii）反向（低强度）的剥离方向，以及（iii）稳态下的力量量化（FS，牛顿）。比例尺，10毫米（F）通过多层3D打印将粘附区域（粘性）空间图案化到非粘附（滑动）水凝胶上。照片显示（i）从离体猪胃中剥离图案化区域和（ii）未图案化区域的水凝胶。箭头指示组织粘附到粘性区域，虚线圆圈表示滑动区域。比例尺，10毫米。（G）通过多材料3D打印制造的混合（弹性体-水凝胶）粘合剂，其中包括粘附性水凝胶层以允许高度交织弹性体的组织附着。照片显示（i）从离体猪胃下剥离混合粘合剂的正面和（ii）侧面视图。比例尺，5毫米。

四、全文总结

综上所述，作者提出了一种简单的策略，结合了光聚合和暗聚合，使得构成聚合物链在打印结构形成时能够密集缠结。这种可推广的方法在室温下实现了高单体转化率，无需在打印后额外的刺激（如光或热），并且能够增材制造出高度缠结的水凝胶和弹性体，其延展能量相比传统DLP提高了4-7倍。作者利用这种方法打印了高分辨率和多材料结构，具备对湿组织的空间编程粘附等特性。该方法为下一代基于水凝胶的组织粘合剂在感知、监测和管理人类健康方面的设计开辟了新的途径。

五、文献信息

Abhishek P. Dhand et al. ,Additive manufacturing of highly entangled polymer networks.Science385,566-572(2024).DOI:10.1126/science.adn6925

来源：感知科学前沿