Исследователи из Шанхайского технологического института (https://english.sit.edu.cn/) напечатали в 3D жесткий и проводящий полимерный гидрогель (CPH - conductive polymer hydrogel) на основе двойной сети для производства гибких носимых датчиков движения. Датчики были испытаны и оценены на предмет их механических и электропроводящих свойств. Команда обнаружила, что CPH является отличным материалом для 3D-печати в ряде применений, включая мягкую робототехнику и даже перевязочные материалы.
Гидрогели широко используются в исследовательских проектах - от регенеративной медицины до мягкой робототехники и 4D-печати. К сожалению, часто низкая механическая прочность традиционных гидрогелей ограничивает их потенциал для применения в условиях низких нагрузок. Тем не менее, благодаря недавним достижениям в области материаловедения были разработаны легко растяжимые гидрогели, проводящие гидрогели, 3D-печатные гидрогели и самовосстанавливающиеся гидрогели.
Электропроводящие гидрогели, в частности, с их сильной адгезией, высокой пористостью, чувствительным набуханием и биосовместимостью, вызывают большой интерес у исследователей. Они способны преобразовывать физические внешние раздражители в электрические сигналы, которые могут быть записаны. В свете множества привлекательных свойств исследователи увидели ряд потенциальных инновационных применений проводящих гидрогелей и задались целью напечатать в 3D свои собственные гибкие носимые датчики движения.
Первый этап исследования включал синтез гидрогеля. Команда сополимеризовала HEA с SSS, используя DLP 3D-принтер, и добавила EDOT в сеть. В результате был получен 3D-датчик движения гидрогеля PHEA-PSS/PEDOT. Команда проверила вновь разработанный гидрогель и обнаружила, что он показал некоторые удивительные механические и электрические свойства. При содержании EDOT 12% гидрогель имел предел прочности на разрыв, близкий к 8 МПа, в то время как электропроводность составляла 1,2 S/cm, а эластичность оставалась постоянной.
Дальнейшие функциональные испытания датчика человеческим пальцем показали, что он может точно преобразовывать изменения физического давления в чувствительные электрические сигналы. Команда подвергла датчик воздействию большого количества сил и деформаций, не разрывая и не деформируя пластик, подтверждая его прочность и гибкость. Был сделан вывод, что экспериментальный гидрогель может быть использован для эффективной 3D-печати датчиков давления, способных контролировать деятельность человека. Команда надеется разработать работу и в конечном итоге применить эту технологию к растягивающимся электрическим устройствам и мягкой робототехнике.
Дальнейшие подробности исследования можно найти в статье «Жесткий и проводящий полимерный гидрогель на основе двойной сети для фотоотверждения 3D-печати» (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1591/ab8cfb/meta).
В последние годы исследования в области гидрогелей для 3D-печати достигли больших успехов. Только в прошлом месяце исследователи из Штутгарта напечатали в 3D многослойные детали с разнонаправленными градиентами жесткости (https://3dprintingindustry.com/news/researchers-3d-print-cellulose-based-hydrogel-with-programmable-deformation-172226/), используя гидрогель на основе целлюлозы. Разработав собственный G-код, включающий изменение жесткости по всему материалу, команда смогла запрограммировать набор различных геометрических форм деформации непосредственно в образце. В другом месте, в Иллинойсе, исследователи успешно соединили 3D-напечатанный скелет гидрогеля со спинным мозгом крысы, чтобы создать функционального «спинобота» для ходьбы (см. новость от 01 июня 2020 г.).