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  目前，通過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，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，已報道的方法也很難連續(xù)、批量地在凝膠表面繪制圖案。

  基于以上問題，尋找一種通過數(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)雜圖形的新方法就很有必要了。

  北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院汪輝亮教授課題組報道了一種離子噴墨打印(IIP)技術(shù)-可用于快速批量地制備可變形凝膠。該方法利用商用平板噴墨打印機向含有聚丙烯酸鈉的高強度水凝膠表面噴涂鐵離子水溶液實現(xiàn)凝膠表面圖案化，由于鐵離子能和羧酸根之間形成強的絡(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）。

1、離子噴墨打印過程

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

（1）通過一次打印過程就能在大尺寸的水凝膠表面打印批量的圖案（圖2a）；

（2）計算機輔助設(shè)計的復(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稱或不對稱的圖案（圖2c）；

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

  由于引入的鐵離子可以改變凝膠的溶脹/去溶脹性能，因此可以通過局部離子噴墨打印技術(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，可以通過改變打印次數(shù)控制凝膠的變形程度。

  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)動更為復(fù)雜的變形過程，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） 凝膠雙面帶有交錯的圖案：當(dāng)在圓環(huán)凝膠的兩面打印上對稱且交錯的圖案后，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口較大的圓管（圖4c）。

（4） 凝膠雙面帶有對稱的不均勻圖案：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。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結(jié)果）（圖4d）。

圖4 由二維到三維的變形。

2、二維到三維的變形過程

  該工作首次報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)。

論文鏈接：

https://www.researchgate.net/publication/318472999_Surface_Patterning_of_Hydrogels_for_Programmable_and_Complex_Shape_Deformations_by_Ion_Inkjet_Printing/amp