石墨烯是由單層sp2雜化的碳原子構(gòu)成的具有零帶隙半導(dǎo)體特性的蜂窩狀晶格二維材料，其具有極低的電阻和良好的化學物理穩(wěn)定性，廣泛用于復(fù)合材料中的導(dǎo)電介質(zhì)成分。然而，石墨烯本身的疏水性以及片層間較強的范德華力導(dǎo)致其在水體系中的分散性非常差，因而在凝膠溶液中石墨烯往往會發(fā)生嚴重的團聚現(xiàn)象。盡管目前可以通過使用表面接枝改性、乳化、添加助分散劑等方法改善石墨烯的水體系分散性，但這些方式往往會破壞凝膠內(nèi)部的非共價鍵網(wǎng)絡(luò)或增加石墨烯本身的滲透閾。

還原氧化石墨烯（rGO）是將氧化石墨烯（GO）進行化學還原而得到的一種具有與完美石墨烯性質(zhì)相似的一類二維材料，其同樣具備優(yōu)良的導(dǎo)電性，并且具有制備過程溫和、工藝廉價等優(yōu)勢，在對導(dǎo)電性能要求不苛刻的傳感領(lǐng)域廣為人們所使用。本章中，我們采用較為綠色的堿熱還原法，通過一步法對GO的PVA溶液進行直接還原，制備得到具有高分散性的rGO/PVA溶液。

生物電是生命體的一種基本生理現(xiàn)象，能夠反映機體各項基礎(chǔ)生理指標，在臨床醫(yī)學測量中被廣泛使用。生物醫(yī)用電極作為核心的測量部件，具有將生物電信號進行放大、采集、傳導(dǎo)等作用，然而生物電信號通常較弱（10-4-10-6V），在絕大多數(shù)情況下需要使用多個電極來同時進行電位采集和分析。因此一般要求電極具有良好且穩(wěn)定的導(dǎo)電性能，以獲得較好的信噪比，同時由于電極要與人體皮膚直接接觸，因此還要求具有較低的接觸電阻，并且需要無毒無害。

本章中所制備的PVA/rGO-Gly凝膠具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，且所用原料PVA、甘油、rGO等均具有臨床安全性，此外PVA/rGO-Gly凝膠具備良好的抗剪切性能，能夠減少由于運動而引起的震動干擾問題，因此是一種理想的醫(yī)學電極候選材料。

基于PVA/rGO-Gly凝膠的溫度響應(yīng)性和電阻響應(yīng)性，我們結(jié)合3D打印技術(shù)制備出具有各向異性檢測性能的可穿戴柔性應(yīng)變傳感器。我們將PVA/rGO-Gly凝膠裝填在外部具有電熱夾套的注射器內(nèi)，當調(diào)整電熱夾套為85oC時，此時凝膠處于粘性流體狀態(tài)，因此可以在螺桿泵的推動下由針頭擠出，進而在三軸平臺的控制下打印出預(yù)設(shè)的圖案。值得注意的是，由于凝膠具有親水性，因此打印基底需要選擇較為親水的材料以獲得與PVA/rGO-Gly更好的粘附力，保證打印圖案的品質(zhì)。故在PDMS薄膜上打印時，基底需預(yù)先進行O3等離子處理增加親水性。

滲透壓驅(qū)動的植物運動過程的啟發(fā)，采用多層級結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想，實現(xiàn)了銅/液態(tài)金屬復(fù)合物（CuGaIn）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的4D打印。CuGaIn的形變過程主要由雙層打印單元（“二級結(jié)構(gòu)”）在各向異性收縮作用下所實現(xiàn)與調(diào)控；而各向異性的收縮作用又源自于Cu/EGaIn/水三元體系中獨特的彈性聚集體“三級結(jié)構(gòu)”。相關(guān)研究成果可為金屬4D打印提供全新思路。

為了適應(yīng)自然環(huán)境，植物進化出了如卷須、花朵、樹葉、藤蔓等能夠進行形狀變化的組織器官，其可以通過接受外部物理、化學信號的刺激，改變特定位置細胞的滲透壓來實現(xiàn)局部的膨脹或收縮，從而實現(xiàn)植物的“運動”。與之類似，一些材料在特定條件下也會產(chǎn)生自發(fā)的形變，它們在智能紡織品、智能機器人、生物醫(yī)療、組織工程等領(lǐng)域中均有潛在的應(yīng)用。

近年來，科學家們采用形變記憶合金、形狀記憶聚合物、液晶彈性體或是可溶脹水凝膠等材料，并結(jié)合3D打印技術(shù)，開發(fā)出形狀、性質(zhì)或功能動態(tài)可變的結(jié)構(gòu)，這一過程也被稱作4D打印。與此同時，4D打印過程中的形變觸發(fā)條件也在早期熱和溶劑的基礎(chǔ)上，增加了電、磁、pH、光以及生物信號等。

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