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本文聚焦水凝胶与 3D 打印技术的融合。阐述了水凝胶独特的流变特性（如黏度、剪切变稀、屈服应力、黏弹性等）、成分特征对 3D 打印的影响，介绍多种 3D 打印图案及应用，指出挑战并展望未来，为相关研究提供参考。
引言
水凝胶是一种具有三维网络结构的聚合物材料，能吸收并保留大量水分，亲水性极强。它通常由天然或合成高分子聚合物通过物理或化学交联形成。近年来，水凝胶凭借其出色的生物相容性、导电性和延展性等特性，在柔性电子设备、催化剂、太阳能水净化、储能装置、食品添加剂、食品包装材料以及药物递送等众多领域得到广泛应用。
目前，水凝胶的制备和成型方法多样，主要分为物理交联和化学交联两类。物理交联通过分子间氢键、离子相互作用、疏水缔合和范德华力等物理连接形成水凝胶；化学交联则是通过化学反应在分子间形成共价键，进而产生凝胶结构。这两种方法各有优势，会根据水凝胶的预期性能和应用场景来选择。此外，还有一步制备法等新型技术，简化了生产流程、提高了效率。
然而，传统的水凝胶制备方法在成型复杂三维结构时存在局限，往往需要大量液体前驱体固化，且多限于制造平面薄膜状结构。3D 打印技术则能克服这些问题，它可依据计算机断层扫描图像设计和定制复杂结构的水凝胶，操作简便、结构控制精准且成本效益高。已有研究利用 3D 打印技术制备出具有多种特殊性能的水凝胶，如 4D 打印的水凝胶支架、用于软能源应用的离子水凝胶细丝以及具有特定比例的水凝胶 - 油凝胶空心旋转结构等。
3D 打印水凝胶的原理和类型
3D 打印作为一种实用的制造方法，通过计算机辅助设计从 3D 模型获取所需数据。具体来说，3D 模型被拆解为 2D 代码信息，再由 3D 打印机识别并处理以进行制造，这种分层累加的过程构成了 3D 打印技术在制造领域的基本运作机制。
水凝胶成分特征对 3D 打印的影响
与其他 3D 打印墨水相比，水凝胶的化学和机械性能可定制和修改。在水凝胶中添加不同成分，能赋予其生物相容性、导电性等不同特性。水凝胶的成分在影响其流变学方面起着关键作用。
水凝胶的流变特性对 3D 打印的影响
水凝胶的流变特性是指其在外力作用下的变形行为，描述了水凝胶的黏弹性，即水凝胶在受力条件下表现出的介于黏性液体和弹性固体之间的特性。水凝胶的流变特性主要包括黏度、剪切变稀、屈服应力和弹性模量，这些特性对 3D 打印过程有着不可忽视的影响 。
3D 打印水凝胶的应用
3D 打印技术能够依据预先设计的模型精确制造各种水凝胶，例如具有复杂几何形状（如孔隙、分支和腔体）的组织工程支架和电子元件。由于这些显著优点，3D 打印水凝胶在生物学和电子学等多个领域具有极高的应用潜力。
结论与展望
水凝胶作为一种具有三维网络结构的聚合物材料，凭借其优异的生物相容性、导电性和可调节的机械性能，在柔性电子、生物医学、软机器人和包装材料等领域展现出巨大潜力。然而，在材料稳定性、机械强度和功能集成方面仍存在挑战。未来的研究方向应集中在解决这些问题上，以进一步推动水凝胶在各领域的广泛应用和发展。
