AFM长篇综述：软物质/软材料的3D打印

来源： EngineeringForLife

与人体组织具有相似性能的软材料在现代跨学科研究中发挥了关键作用，其被广泛用于生物医疗中。与传统加工方法相比，3D打印可实现复杂结构的快速原型制作和批量定制，非常适合加工软材料（软物质）。然而，软材料的3D打印的发展仍处于早期阶段，并且面临许多挑战，包括可打印材料有限，打印分辨率和速度低以及打印结构多功能性差等。EFL团队 (浙江大学贺永教授课题组)多年从事3D打印水凝胶、硅胶等软材料的研究，近期EFLers梳理和总结了应对软材料打印的响应策略，在Advanced Functional Materials上发表了题为“A Review of 3D Printing Technologies for Soft Polymer Materials”的长篇综述。

本综述重点聚焦三点：
1）如何便捷开发可打印材料？
2）如何选择合适的方法并提高打印分辨率？
3）如何通过3D打印直接构建复杂软结构/系统？

我们回顾了用于打印软聚合物材料的主流3D打印技术，归纳了如何提高打印分辨率和速度，选择合适的打印技术，开发新颖的可打印材料以及打印多种材料。系统总结了软材料3D打印在仿生设计、柔性电子、软机器人和生物医学领域的应用进展。

1. 主流3D打印技术概述
受到软材料独特的理化性质限制，当前打印软材料的主流技术主要有四种：激光熔融烧结（SLS）、光固化打印（SLA、DLP、CLIP、CAL）、喷墨打印（InkjetPrinting、E-jet）、挤出打印（FDM、DIW、EHDP）等。每种方法都有自己各自的材料要求以及打印特性。本综述详细介绍了各打印方法的原理、材料要求、打印速度、打印精度和多材料能力，为选择合适的打印方法提供了指南。

图1 3D打印软材料使用的主流技术

2.多材料3D打印进展概述
与单一材料的打印相比，多材料3D打印能够直接构造复杂的功能结构，具有更强的可定制性。本综述将软材料的多材料3D进展分为两类：复合材料的3D打印和多种材料的3D打印。前者直接使用复合材料作为打印材料构造复杂结构，后者则通过3D打印过程来构建多材料结构。

使用多材料3D打印的最终目的是为了构建具有强大功能的结构。具体而言，将复合材料运用到3D打印中主要为了：
1）提高材料可打印性；
2）提高材料机械性能；
3）赋予材料新的理化性质（如导电性、磁响应性、形状记忆性等）；
4）利用可牺牲组分构建多孔结构。

而对于多种材料的3D打印，则有多种方法来实现多材料的集成，包括：
1）多喷头/多墨盒打印；
2）同轴打印；
3）埋入式打印。

其目的可以概括为：
1）可牺牲的支撑以构建复杂结构；
2）多材料的耦合实现机械增强；
3）不同功能的材料集成以构建具有实际功能的结构。

本综述系统概括了相关的进展，为如何利用多材料3D打印构造具有优良性能和强大功能的软材料系统提供了指导。

图2 多材料3D打印概述

3.软材料3D打印的应用
3D打印能够便捷地集成多种材料，实现快速原型，为多学科交叉领域应用的验证提供了强大的工具。而软材料具有和生物体相似的性质，在于生物相关的领域发挥了越来越重要的作用。本综述介绍了软材料3D打印在仿生设计、柔性电子、软机器人和生物医学领域的应用进展，为软材料3D打印的应用指明了可能的方向。

图3 3D打印仿生结构

图4 3D打印柔性电子

图5 3D打印软机器人

图6 生物3D打印

4.展望
未来，集成多种材料以实现复杂应用将会是大势所趋，软材料3D打印的研究重点会在：
1）集成高精度和高速度打印以满足复杂结构快速原型的需要；
2）开发高度集成的多材料3D打印技术来满足对具有高功能性和复杂多尺度几何形状的打印结构的需求；
3）开发新型的打印材料以丰富打印结构的功能；
4）将仿生学思想融入设计过程中来构建超性能结构。

图7 软材料3D打印的未来发展展望

题为“A Review of 3D Printing Technologies for Soft Polymer Materials”的综述论文已在Advanced Functional Materials 在线刊登。周璐瑜硕士生为第一作者，贺永教授为通讯作者。

论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202000187