单一前驱体灰度光聚合实现多力学特征复合结构的一体化3D打印成型

来源：高分子科学前沿

基于光固化的数字光处理（Digital Light Processing, DLP）3D打印是一种高速度、高精度的打印技术。近年来其应用已从早期的快速成型逐渐扩展到各种智能器件的打印。单一材料已经无法满足各种功能化的打印需求。

基于此，佐治亚理工学院齐航教授团队联合丰田汽车研发团队通过在聚合前驱体材料上的创新设计并结合灰度数字光处理技术(grayscale DLP)对单体转化率精确控制，可以在大范围内调控打印结构的力学特征。该技术利用单一前驱体实现了多材料功能结构的一体成型，极大拓展了数字光处理3D打印的应用范围。

图一：灰度数字光处理的基本原理及展示

在低转化率下，有机单体在氢键作用下和共价交联网络形成稳定的高拉伸（~1500%）低模量（~0.01MPa）有机凝胶软材料。同时又能在完全反应的情况下转化为模量高达480MPa的硬质聚合物。灰度数字光处理技术则实现了对打印结构力学特征在50微米尺度的像素级精确调控。如图一所示，基于该技术打印的蜗牛，不仅能实现结构形状的高精度复制，还能还原其不同结构的力学特征：柔软可拉伸的身体和坚硬的外壳。基于该打印技术，作者展示了其在过去无法通过单次打印一体成型的各类复杂结构及器件制造上的可行性。

复合材料结构

图二：通过该技术打印的各类力学复合结构

文章展示了通过该技术实现的内嵌纤维的各向异性结构，高仿真胶原三螺旋结构和性能梯度结构等复杂力学结构的一体成型。

仿生结构

图三：通过该技术打印的各类仿生结构

人体及各类生物组织通常都为软硬复合结构。此类复合仿生结构的一体化成型一直是3D打印的一大难点。图三展示了该工作在此类应用上的实用示例。定制化快速打印具有解剖结构与机械性能的心脏瓣膜高仿真模型，可以帮助医生对植入体进行术前临床模拟研究。仿生鱼鳍结构可以打印出坚硬的鱼骨和可开合的肌肉，可用于各类仿生机器部件。同时可以通过该技术打印层状贝壳珍珠母(Nacre)或者纤维布利冈(Bouligand) 等工程仿生复合结构，帮助研究其强韧机制。

气动驱动结构

图四：通过该技术打印的各类气动驱动机构

高拉伸的有机凝胶也展示了该技术在气动驱动器件上的应用潜力。图四打印的仿河豚鱼结构，其鱼肚为有机凝胶态，身体其余部分为硬质聚合物。可用气动驱动该空腔结构来模拟河豚的应激变形。而过去难以制造的气动执行器也可以通过灰度数字光处理技术快速成型，实现可控的拉伸、弯曲、收缩和旋转的基本动作，以及通过基本动作叠加的各类复杂动作。文章展示了一个缠绕抓取的气动驱动结构。

交互传感器

图五：通过该技术打印的各类定制传感器

文章展示了该技术在各类可交互，可穿戴的电子器件及传感器制造上的应用。在器件结构中打印微孔并注入液态金属，可实现对包括应变、压力、穿戴式等各类传感器的高度定制化打印。

小结
该工作通过聚合前驱体的材料创新结合灰度数字光处理技术，实现了对打印结构的材料力学特征大范围调控。为聚合物基连续功能梯度材料与结构的一体化制造提供了新思路，进一步拓展了数字光处理在各类多材料功能异质结构制造上的应用范围。

佐治亚理工齐航教授为该论文通讯作者，岳亮博士为文章第一作者。文章合作者包括来着佐治亚理工团队的S. Macrae Montgomery，孙晓昊博士，余璐霞博士和来自丰田汽车北美研究院的宋宇阳博士和Masato Tanaka博士以及丰田中央研发实验室的Tsuyoshi Nomura博士。该工作于近日发表在Nature Communications。

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原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36909-y