作者

刘国峰，孔维程，乔天鸿，孙元，贺永，夏鹏程，任文杰

机构

浙江大学，南京医科大学，新乡医学院

Citation

Liu G F, Xia P C, Kang W C, Qiao T H, Sun Y, Ren W J, He Y. 2025. 3D printing of hard/soft switchable hydrogels. Int. J. Extrem. Manuf. 7 045001.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/adbd97

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读

水凝胶的核心组分是水，其湿软特性被广泛应用于柔性电子、软体机器人和再生医学领域。目前水凝胶能做到软（soft），经过特殊处理后也能做到韧（tough），但难以做到硬（hard），这限制了其应用场景。近期，浙江大学机械工程学院贺永教授课题组，提出了一种可自由软硬切换的水凝胶，将可逆相变的过饱和醋酸钠盐溶液引入到3D打印的水凝胶结构中，赋予其软硬快速且互逆切换的能力，可将水凝胶从kPa级的硬度提升近4个数量级，达到常规硬塑料的水平,并在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为《3D printing of hard/soft switchable hydrogels》的文章。

图1 受海参启发的3D打印软/硬可切换水凝胶的设计与制造原理图。

视频1 3D打印海参结构水凝胶软/硬切换演示。（见附件）

视频1.mp4

2. 图文解析

本研究的创新点在于提出了一种可自由软硬切换的水凝胶，将可逆相变的过饱和醋酸钠盐溶液引入到3D打印的水凝胶结构中，赋予其软硬快速且互逆切换的能力。当水凝胶中的水合盐处于过饱和状态时，该水凝胶表现出柔软特性，其弹性模量仅为80 kPa，且由于结晶能垒的存在，该柔软状态在室温下可维持长期稳定。通过人为引入结晶核，水凝胶迅速结晶，形成大量纳米级晶体均匀分布于在水凝胶基体中，实现从柔软状态到坚硬状态的可控转变。在此过程中，水凝胶力学性能显著提升，其弹性模量在短时间内显著提升至1.2 GPa，增幅达7700倍，该模量显著高于目前已有报道的水凝胶。硬度达到86.5 Shore D，与硬塑料相当。强度提升至81.7 MPa。通过加热后再冷却的方式，水凝胶可逆恢复至初始过饱和态，即柔软状态。并且，该水凝胶能通过3D打印成型。

图2 软硬可切换水凝胶的力学性能及其力学增强机理。

视频2 3D打印晶格结构水凝胶软/硬切换演示。（见附件）

视频2.mp4

针对紧急医疗救援场景，基于水凝胶软/硬切换的优点，该研究开发了一种基于水凝胶的智能医用固定绷带，该智能绷带在柔软状态下能够精确贴合肢体外形。在触发结晶后，材料迅速转变为刚性态，能够在10分钟内为骨折部位提供优于传统石膏的力学支撑。该绷带具有便于携带，操作简便和快速响应等优点，有望替代传统操作繁琐的石膏固定技术。此外，该研究进一步将水合盐强化水凝胶力学性能的方法推广至多种水合盐与水凝胶体系，验证了该方法的普适性。

图3  PAAM/NAAC复合材料在智能医用石膏绷带中的应用。

视频3 水凝胶智能医用石膏绷带应用演示。（见附件）

视频3.mp4

4. 作者简介

贺永，国家杰出青年科学基金获得者，互联网+大学生创新创业大赛国赛金奖指导教师，浙江省首席科学传播专家。现任浙江大学求是特聘教授，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室副主任，《Bio-Design Manufacturing 》期刊副主编、《Biofabrication》期刊编委。从事增材制造及生物制造研究工作，主持杰青、基金重点、联合基金重点等国家自然科学基金6项，基金委创新群体项目“运动系统组织工程与再生研究”核心成员，出版生物3D打印专著2本，授权发明专利50余件，在《Science Translational Medicine》《Nature Review Bioengineering》《Science Advances》《Nature Communcations》等期刊发表SCI论文100余篇，H因子65，论文被引1.2万余次。担任机械工程学会生物制造分会常务委员、生物材料学会先进制造分会副主任委员、国家医用增材制造标准委员会设备组牵头人，创建EFL品牌（Engineering for Life），致力于医工交叉研究及成果转化。