文｜陈根

水凝胶作为一种极具前途的材料，在软体机器人、组织工程支架、柔性传感器等领域展现出广阔的应用前景。受限于常规的模具浇筑制备工艺，水凝胶的结构通常比较单一，影响了其更丰富、更复杂功能的实现。

3D打印，即增材制造，为复杂结构的水凝胶精密成型提供了有效手段。近日，中国科学院兰州化学物理研究所的研究人员利用3D 打印技术，开发了一种具有双重刺激响应性的管状立体水凝胶材料。在不同的离子溶液中，水凝胶管状材料能够识别离子逐步变形、变刚度，并形成4D打印血管支架。

与3D打印的预先建模然后使用材料打印不一样，4D打印的逻辑是，先用3D打印机打印出一种刚性的智能材料，然后将这种材料与上述外界激活因素结合，从而按照预先设定的路径完成物体形态的改变。

传统而言，造物过程一般都是，先模拟后制造，或者一边建物一边调整模拟效果。而通过硬件和软件的紧密结合，4D打印技术则颠覆了传统的造物方式，化传统造物工艺于无形。

该研究中，研究人员利用海藻酸钠链段中不同反应位点选择性聚糖发生正负电荷作用的原理，有序地生成新的交联点，使得水凝胶体积相应地发生收缩，且模量逐步增强。此后，溶液浸泡中的管状支架会发生再收缩变形，形成相对于原始结构尺寸更小的管状结构。

随着海藻酸钠链段与不同外界刺激发生反应，海藻酸钠水凝胶的力学性能发生了明显提高。由于反应位点的选择性，改变浸泡溶液的顺序可以调节4D打印管状材料的形变和刚度变化。该4D打印的管状支架材料双响应形变后力学性能大大提升，径向支撑表现出＞95％的压缩回复性，在高度方向上能支撑＞360倍自身重量的物体。

总的来说，该4D打印的海藻水凝胶具有较高的结构精度和力学强度，能够实现在温和条件下形变、力变的双响应。未来，其或可为血管支架提供新思路。