机械坚固且耐磨的3D可打印聚氨酯弹性体

光固化弹性体在软体机器人、柔性电子和生物医学器件等领域具有广泛应用前景，但实现打印性与机械鲁棒性之间的平衡仍是一项核心挑战。传统光固化聚氨酯弹性体因引入永久共价交联而限制了链段迁移率，导致强度、韧性与疲劳抗性难以兼顾。本文报道了一种基于共价-超分子双网络结构的可紫外光固化（VPP）打印聚氨酯弹性体。研究设计了一种二甲基丙烯酸酯官能化的聚氨酯预聚物，将2-脲基-4[1H]-嘧啶酮（UPy）基序引入硬段中。光聚合后，末端甲基丙烯酸酯基团形成永久共价网络，提供尺寸稳定性和高效载荷传递；而UPy基序则通过四重氢键形成可逆的超分子缔合，作为动态牺牲交联点。通过调控UPy含量可调节非共价缔合密度并优化整体网络结构。在机械载荷下，UPy二聚体的可逆解离耗散能量并缓解应力集中，而光交联网络则保持结构完整性并促进弹性恢复。所得聚氨酯弹性体拉伸强度高达26.84 MPa，并具有优异的耐磨性能。本研究提出的分子设计策略在光固化聚氨酯弹性体的机械性能与打印性之间实现了良好平衡，展示了其在机械要求严苛的生物医学应用和柔性器件中的潜力。

本研究通过UPy二聚化形成的四重氢键显著增强了弹性体的分子间相互作用，并驱动了明显的微相分离（经SAXS和AFM证实），从而形成了更致密的氢键网络结构，用以调控其机械性能。这种结构演化赋予了材料优异的机械性能：最优的HMPU-3弹性体表现出26.84 MPa的拉伸强度、38.60 MJ/m³的韧性，表面模量较不含UPy的对照样HMPU-0提高了16倍。动态氢键网络作为高效牺牲键，实现了显著的能量耗散、优异的抗穿刺性和卓越的承载能力。此外，理想的HMPU-3弹性体还表现出优异的摩擦学性能，具有超低且稳定的摩擦系数（低至0.045）和显著的耐磨性（磨损率低至3.62×10⁻⁶ mm³/N·m）。这项工作桥接了超分子化学与实际材料工程，为未来开发兼具高强度、高韧性、耐损伤性和优异润滑性的高性能弹性体提供了有价值的见解，并开辟了新的生物医学应用机会。

文献信息：

https://doi.org/10.1002/agt2.70429