一锅双料，国外团队开发出利用单一树脂实现双材料3D打印的突破性技术

导读：在3D打印领域，一项突破性技术再次拓宽了光固化增材制造的边界。在生活中，一锅大乱炖让准备饭菜变得快捷方便，而这种”一锅煮“的模式也能为3D打印带来同样的效果。

2025年6月23日，南极熊获悉，近日发表在《ACS Central Science》期刊上的一项题为“Dual-Wavelength Simultaneous Patterning of Degradable ThermosetSupports for One-Pot Embedded 3D Printing”的研究引起了业界的关注：研究人员开发出一种基于“双波长同步成像”的大桶光聚合（Vat Photopolymerization,VP）技术，首次实现在“单一树脂”体系内打印出永久性结构与可降解支撑双材料物体。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.5c00337

这项技术被称为“一锅法”（one-pot）3D打印解决方案，可以简化复杂3D打印物品（包括组织工程支架和机械部件）的生产。凭借高集成度、低后处理负担以及出色的打印精度等优势，这项技术有望在生物医学、航天工程和复杂微结构制造等领域掀起新一轮技术革命。

一锅打印双材料：告别树脂更换的新路径

传统的光聚合类3D打印（如SLA/DLP）在打印复杂结构（如悬臂、互锁件）时，必须依赖支撑结构来维持构建过程中的几何稳定。然而，这些支撑结构通常与主体材料相同，后处理需要机械方式拆除，不仅耗费人力、影响表面质量，甚至可能导致结构损伤。

为解决这一问题，研究团队（包括美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和加州大学圣塔芭芭拉分校）创造性地开发出一款“一锅双网络”树脂系统。这种树脂包含两种主要单体网络：

• 可降解的热固性网络：由光照405 nm（可见光）时发生自由基聚合形成；
• 永久性的环氧网络：由光照365 nm（紫外光）时触发阳离子聚合构建。
  

△双波长树脂在一个锅中同时将自由基和阳离子网络融合在一起，包括每个反应的光启动器，交叉链接和联合工具。

通过调整不同波长光的照射区域，科研人员可以在同一层中同时打印出可降解支撑结构和永久功能部件。这种方法无需更换树脂、无须物理切换喷头或平台，极大提升了打印效率与几何自由度。

定制化光路系统：双波长负像DLP打印机

为了实现波长选择性打印，团队构建了一台定制化“双波长负像成像（DWNI）”DLP打印设备。该系统通过单一数字微镜装置（DMD）控制两个不同波长（405 nm与365 nm）的光源，实现同层不同区域光化学选择性激发。技术核心在于：

• 单DMD投影双波长图像，避免两个光源错位；
• 负像成像原理，同一镜面角度下两波长互为镜像，“黑区为支撑，白区为结构”；
• 同步投影大幅降低打印时间——理论上比传统双步打印快50%。
  

△（a）双波长负成像（DWNI）DLP打印机可以独立控制数字微龙设备（DMD）中的镜子。通过切换镜面角，可以将不同的光波长投射到同一层的不同像素上。（b）将2D黑色/白色图像上传到DMD，以对每一层进行模式。黑色区域充满了405 nm的光线，白色区域充满了365 nm的光。每个波长可以同时独立地投射。

这一光学系统可谓是硬件设计与树脂配方协同创新的典范，为多材料打印设备的轻量化、低成本化提供了全新方向。

材料配方突破：性能与绿色制造兼顾

在树脂系统方面，研究人员精心筛选光引发剂、交联剂和辅助单体，构建出双功能配方。可降解网络采用甲基丙烯酸酯与琥珀酸交联体系，不仅具备快速光聚性，还可在碱性溶液中快速降解。永久网络基于环氧单体与催化剂配合体系，经紫外照射后能形成高交联度、耐热耐水解的结构。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）与动态力学分析（DMA）验证，最终材料具备良好的机械性能（如在200℃下橡胶模量为2.69×10⁷ Pa），且热后处理不会破坏其分相结构。

同时，支撑部分在5 M NaOH溶液中15分钟内可完全溶解，且降解产物为无毒成分，如己二酸等。这种绿色可降解特性，也为该材料在医疗器械和组织工程方向的应用打开了想象空间。

研究人员通过创建越来越复杂的结构（包括棋盘格图案、互锁环和笼中球设计）来展示他们的技术。这些结构原本依赖“先打主结构、后手动拆支撑”的繁琐工艺，如今借助DWNI系统与双材料一锅树脂得以自动化成形与解耦，大幅度释放了3D打印自由度，展示了创建传统3D打印方法难以制造的复杂物体的潜力。

△像这条链条这样复杂的多部分物体，可以通过一种新的桶式聚合技术一次性 3D 打印出来。（图片来源：ACS Central Science）

最终，研究的通讯作者之一马克西姆·舒斯特夫（Maxim Shusteff）表示：“光聚合技术以其快速和高分辨率的打印而闻名，但打印后最令人头疼的部分之一，是手动移除复杂的互锁和悬垂结构的支撑。我们非常高兴能够用简单的化学方法解决这个问题。”

本研究由美国能源部、加州大学实验室研究费用驻留研究生奖学金以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室的劳伦斯博士后奖学金资助。