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作者

劉國峰，孔維程，喬天鴻，孫元，賀永，夏鵬程，任文杰

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機構

浙江大學，南京醫科大學，新鄉醫學院

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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.7045001.

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

撰稿 | 文章作者

1. 文章導讀

水凝膠的核心組分是水，其濕軟特性被廣泛應用于柔性電子、軟體機器人和再生醫學領域。目前水凝膠能做到軟（soft），經過特殊處理后也能做到韌（tough），但難以做到硬（hard），這限制了其應用場景。近期，浙江大學機械工程學院賀永教授課題組，提出了一種可自由軟硬切換的水凝膠，將可逆相變的過飽和醋酸鈉鹽溶液引入到3D打印的水凝膠結構中，賦予其軟硬快速且互逆切換的能力，可將水凝膠從kPa級的硬度提升近4個數量級，達到常規硬塑料的水平,并在SCI期刊《極端制造（英文）》期刊上發表了題為《3D printing of hard/soft switchable hydrogels》的文章。

圖1受海參啟發的3D打印軟/硬可切換水凝膠的設計與制造原理圖。

視頻13D打印海參結構水凝膠軟/硬切換演示。

2. 圖文解析

本研究的創新點在于提出了一種可自由軟硬切換的水凝膠，將可逆相變的過飽和醋酸鈉鹽溶液引入到3D打印的水凝膠結構中，賦予其軟硬快速且互逆切換的能力。當水凝膠中的水合鹽處于過飽和狀態時，該水凝膠表現出柔軟特性，其彈性模量僅為80 kPa，且由于結晶能壘的存在，該柔軟狀態在室溫下可維持長期穩定。通過人為引入結晶核，水凝膠迅速結晶，形成大量納米級晶體均勻分布于在水凝膠基體中，實現從柔軟狀態到堅硬狀態的可控轉變。在此過程中，水凝膠力學性能顯著提升，其彈性模量在短時間內顯著提升至1.2 GPa，增幅達7700倍，該模量顯著高于目前已有報道的水凝膠。硬度達到86.5 Shore D，與硬塑料相當。強度提升至81.7 MPa。通過加熱后再冷卻的方式，水凝膠可逆恢復至初始過飽和態，即柔軟狀態。并且，該水凝膠能通過3D打印成型。

圖2軟硬可切換水凝膠的力學性能及其力學增強機理。

視頻23D打印晶格結構水凝膠軟/硬切換演示。

針對緊急醫療救援場景，基于水凝膠軟/硬切換的優點，該研究開發了一種基于水凝膠的智能醫用固定繃帶，該智能繃帶在柔軟狀態下能夠精確貼合肢體外形。在觸發結晶后，材料迅速轉變為剛性態，能夠在10分鐘內為骨折部位提供優于傳統石膏的力學支撐。該繃帶具有便于攜帶，操作簡便和快速響應等優點，有望替代傳統操作繁瑣的石膏固定技術。此外，該研究進一步將水合鹽強化水凝膠力學性能的方法推廣至多種水合鹽與水凝膠體系，驗證了該方法的普適性。

圖3PAAM/NAAC復合材料在智能醫用石膏繃帶中的應用。

視頻3水凝膠智能醫用石膏繃帶應用演示。

4. 作者簡介

賀永，國家杰出青年科學基金獲得者，互聯網+大學生創新創業大賽國賽金獎指導教師，浙江省首席科學傳播專家。現任浙江大學求是特聘教授，流體動力基礎件與機電系統全國重點實驗室副主任，《Bio-Design Manufacturing 》期刊副主編、《Biofabrication》期刊編委。從事增材制造及生物制造研究工作，主持杰青、基金重點、聯合基金重點等國家自然科學基金6項，基金委創新群體項目“運動系統組織工程與再生研究”核心成員，出版生物3D打印專著2本，授權發明專利50余件，在《Science Translational Medicine》《Nature Review Bioengineering》《Science Advances》《Nature Communcations》等期刊發表SCI論文100余篇，H因子65，論文被引1.2萬余次。擔任機械工程學會生物制造分會常務委員、生物材料學會先進制造分會副主任委員、國家醫用增材制造標準委員會設備組牽頭人，創建EFL品牌（Engineering for Life），致力于醫工交叉研究及成果轉化。

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

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