面向新型4D打印的具有高度可拉伸性、形状记忆和自修复的3D打印弹性体

供稿人:汤磊 李涤尘
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

具有形状记忆和自愈合等智能功能的柔性可拉伸材料的3D打印技术对于未来4D打印技术的发展至关重要，可以直接用于柔性驱动器、可穿戴智能医疗设备和柔性电子设备等技术领域。美国佐治亚理工大学的研究者提出了一种新型的3D打印墨水，该墨水可以再紫外线照射辅助下通过墨水直写打印具有高度可拉伸性、形状记忆和自愈合功能的3D打印弹性体。

图 1 具有高度可拉伸性、形状记忆和自修复的3D打印弹性体

研究者开发了一种包含氨基甲酸酯二丙烯酸酯和线性半结晶聚合物的3D打印墨水，可通过墨水直写打印来生成一种具有嵌入式半结晶热塑性聚合物的高拉伸性半互穿聚合物网络弹性体，最大可拉伸量为600%，且具有面内各向同性特性。结构中嵌入的半结晶热塑性聚合物塑料在形状记忆功能的切换阶段和自愈合功能的修复阶段担当着双重角色。研究者测试多种复杂三维结构的形状记忆功能，均显示出良好的形状记忆特性，变形恢复时间约为1分钟。针对材料表面的微裂缝和大型缺陷，通过热处理的方式能够有效刺激材料本身的自愈合功能，缩小裂痕的尺寸，提高材料在缺陷处的力学性能。

图 2 (a)不同之间的3D打印血管(b)从左到右分别是血管的初始形状、固定的临时形状和恢复的初始形状(c)形状记忆用于血管修复的应用演示：1待修复的血管被切开，2用夹子止住血液流动，3在血管断裂处植入3D打印血管，4通过加热使3D打印血管恢复原状并与两端血管连接起来，5松开夹子血管恢复血液流动，6所有比例尺均为2mm

基于以上的研究，研究者们展示了该种材料在血管修复方面的潜在应用。研究者使用内径为250μm的喷嘴在2mm/s的速度下打印出长度约为10mm的形状记忆弹性管体。在70℃的环境下将弹性管拉伸并压缩至原始直径一半的临时形状，然后再冷却后固定该形状。冷却后的临时形状在室温下非常稳定，加热后，弹性管将恢复至原始的形状。具体的操作流程演示如图2所示，整个修复过程将在3~5分钟内完成，这对于血管修复手术是非常重要的。此外，作者提出上述的研究内容目前只是一个概念验证，未来的研究可以在复合功能材料、血管生物降解、磁场或近红外远距离加热等方面继续深入。

参考文献：
Kuang X, Chen K, Dunn C K, et al. 3D Printing of Highly Stretchable, Shape-Memory and Self-Healing Elastomer toward Novel 4D Printing[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2018:acsami.7b18265.