具有可控變形的刺激響應(yīng)水凝膠材料在軟機(jī)械、藥物釋放、化學(xué)閥門(mén)和人造肌肉等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。結(jié)構(gòu)不均一的水凝膠各部分溶脹/去溶脹速率的差異能引起凝膠內(nèi)應(yīng)力的不均勻，從而驅(qū)動(dòng)水凝膠發(fā)生彎曲、折疊和螺旋等變形。目前，通過(guò)圖案化方法改變凝膠局部的響應(yīng)性能是一種有效制備可變形凝膠的方法。其中應(yīng)用最廣泛的是光刻和離子打印圖案化方法，應(yīng)用這些方法在凝膠上繪制的圖案完全依賴于掩模、電極和模板的圖案。但是目前制備上述圖案模板的技術(shù)有限，所以很難在凝膠上繪制大尺寸、復(fù)雜和交聯(lián)度可控的圖案。此外，應(yīng)用已報(bào)道的方法也很難連續(xù)、批量地在凝膠表面繪制圖案。

因此，有必要尋找一種通過(guò)數(shù)字化控制能夠批量向大尺寸的凝膠引入交聯(lián)度可控的復(fù)雜圖形的新方法。

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院汪輝亮教授課題組報(bào)道了一種利用離子噴墨打印(IIP)技術(shù)制備可變形凝膠的方法。該方法利用商用平板噴墨打印機(jī)向含有聚丙烯酸鈉的高強(qiáng)度水凝膠表面噴涂鐵離子水溶液實(shí)現(xiàn)凝膠表面圖案化，由于鐵離子能和羧酸根之間形成強(qiáng)的絡(luò)合作用，從而改變打印了圖案部分凝膠的交聯(lián)度（圖1和視頻1）。

▲ 圖1噴墨打印技術(shù)示意圖

通過(guò)離子噴墨打印技術(shù)在凝膠表面打印圖案有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)（圖2）：

（1）能通過(guò)一次打印過(guò)程就在大尺寸的水凝膠表面打印批量的圖案（圖2a）；

（2）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的復(fù)雜圖形能被完美地打印在凝膠表面（圖2b）；

（3）凝膠的雙面都能被打印上對(duì)稱或不對(duì)稱的圖案（圖2c）；

（4）通過(guò)改變打印次數(shù)和打印具有梯度分布的圖案可以打印出漸變圖案（圖2d）。

▲ 圖2離子噴墨技術(shù)打印的多種圖案

由于引入的鐵離子可以改變凝膠的溶脹/去溶脹性能，因此可以通過(guò)局部噴墨打印技術(shù)制備可變形凝膠（圖3）。在凝膠一面打印，可制備具有彎曲變形能力的凝膠；在凝膠的兩面對(duì)稱打印，可以制備具有膨脹/收縮變形能力的凝膠。另外，可以通過(guò)改變打印次數(shù)控制凝膠的變形程度。

▲ 圖3可變形凝膠的示意圖

采用離子噴墨打印技術(shù)可以靈活地向凝膠表面引入各種復(fù)雜的圖形，從而驅(qū)動(dòng)更為復(fù)雜的變形過(guò)程，得到更為復(fù)雜的三維形狀（圖4和視頻2）。

（1）凝膠單面帶有均勻圖案：當(dāng)在六邊形凝膠的一面打印上致密六邊形圖案后，該六邊形凝膠可變形得到凸起的三角形；單面帶有由玫瑰曲線衍生的圖案的凝膠可變形得到凸起的六邊形（圖4a）。

（2）凝膠雙面帶有交錯(cuò)的圖案：當(dāng)在圓環(huán)凝膠的兩面打印上對(duì)稱且交錯(cuò)的圖案后，該凝膠可變形得到波浪形圓環(huán)；當(dāng)八瓣花凝膠的雙面被交錯(cuò)打印后，該凝膠可以變形得到鼎的形狀（圖4b）。

（3）凝膠單面帶有不均勻的圖案：將單面具有不同打印次數(shù)的花朵形狀的凝膠組裝后，可變形得到一朵盛開(kāi)的蓮花；單面的打印次數(shù)由中間向兩邊遞減的矩形凝膠可變形得到兩端開(kāi)口較大的圓管（圖4c）。

（4）凝膠雙面帶有對(duì)稱的不均勻圖案：雙面打印次數(shù)由中心向邊緣遞減的圓形凝膠可變形得到帶有波浪邊緣的圓盤(pán)。雙面打印次數(shù)由中心向兩邊遞減的凝膠“葉子”可以變形得到具有波浪邊緣的彎曲凝膠“葉子”（該變形借鑒于百合花葉子的生長(zhǎng)結(jié)果）（圖4d）。

▲ 圖4由二維到三維的變形。

該工作首次報(bào)道了在大尺寸凝膠表面批量打印圖案的方法，可應(yīng)用于商業(yè)化批量生產(chǎn)可變形凝膠。另外，該噴墨打印技術(shù)也能衍生到含有其它作用力體系的凝膠和墨水中，例如：氫鍵作用、靜電作用、主客體作用或某些化學(xué)反應(yīng)。

相關(guān)工作發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上，文章的第一作者為博士生彭欣。

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿