水凝胶是由亲水性三维聚合物网络以及大量的水组成的一种典型软材料,广泛应用于柔性电子、软体机器人和生物医疗领域。结合3D打印技术,深入探索水凝胶的定制化制造,可使其应用于更广阔的领域。由于水凝胶的前驱液通常很难直接用于3D打印,大多数3D打印技术都需要对初始的水凝胶前驱液进行调整,因此在3D打印水凝胶的研究中,如何在不损失打印效能的情况下尽可能保持其功能以及打印更高含水量的水凝胶具有重要意义;另一方面,单一水凝胶的3D打印已经不能满足水凝胶复杂的实际应用,因此开发基于水凝胶的多材料3D打印技术尤为重要;近年来,水凝胶材料由于具有可逆大变形能力和对各种化学或物理刺激的智能响应能力,4D打印水凝胶已经成为模拟仿生变形结构的一个新兴途径。除了对上述问题开展研究外,本文还建立了适合3D打印水凝胶各向异性溶胀的本构模型,为4D打印复杂构型水凝胶提供了力学理论基础。本论文的主要研究内容如下:(1)发展多功能水凝胶3D打印技术。优良的内部支撑材料将提供水凝胶可打印的能力,但不影响水凝胶的功能性。本文基于墨水直写3D打印方法使用了一种高效的(最低含量只需要0.5%)内部支撑材料Carbomer,实现了多功能水凝胶3D打印,包括双网络水凝胶、磁性水凝胶、温敏水凝胶和生物凝胶等。在保证打印效能的条件下,可以打印出含水量高达99.5%的胶体。本文进一步研究了多功能水凝胶的打印性能、力学性能和生物相容性,并展示了多功能水凝胶3D打印的柔性器件,包括可承载水凝胶网、软体机器人、4D打印叶片和水凝胶培养皿等。生物相容性测试结果还表明,这种内支撑材料在生物医学工程中具有巨大的应用潜力。(2)发展水凝胶-聚合物复合结构的多材料3D打印方法。水凝胶-聚合物复合结构广泛应用于多个领域,但当前技术限制了具有复杂几何形状水凝胶-聚合物复合结构的可控制备。本文提出了一种简单而通用的多材料3D打印方法来制造复杂的水凝胶-聚合物3D结构,混合结构由自制的数字光处理多材料3D打印系统完成。基于该方法,水凝胶可与其他不同功能的聚合物共同打印成型,包括弹性体、刚性聚合物、ABS-like聚合物、形状记忆聚合物和其他(甲基)丙烯酸酯的紫外光固化聚合物。此外,本文还解决了水凝胶与上述材料的界面粘接问题,揭示了粘接机理。该方法为水凝胶-聚合物复合结构的应用开辟了新的途径。(3)发展一种适合墨水直写打印水凝胶-纤维复合材料的各向异性溶胀模型。在均匀溶胀的基础上,本文提出了一个新的自由能函数来描述打印诱导纤维的各向异性力学行为。编写了ABAQUS用户定义材料子程序(UMAT),实现了基于该本构模型的有限元模拟,并将数值解、解析解和实验数据进行比较,验证了所提出的本构模型。最后,利用有限元分析,预测了水凝胶4D打印后的变形情况,并通过实验进行了验证。