基于數(shù)字光處理的3D打印技術(shù)通過數(shù)字化紫外光輻射引發(fā)液態(tài)光敏樹脂局部光聚合形成固態(tài)三維結(jié)構(gòu)，是制造高精度復雜三維結(jié)構(gòu)的理想技術(shù)。利用該技術(shù)可對各種光敏水凝膠和高分子材料進行快速三維成型。但是，對于采用基于數(shù)字光處理多材料3D打印水凝膠-高分子復合結(jié)構(gòu)而言，如何在打印過程中快速形成水凝膠與高分子材料間的共價鍵合仍然是一個難題。

針對上述問題，南方科技大學機械與能源工程系教授葛锜研究團隊與浙江大學教授曲紹興研究團隊合作在《Science Advances》發(fā)表雜志封面文章，通過數(shù)字光處理技術(shù)實現(xiàn)水凝膠-高分子復合結(jié)構(gòu)的多材料3D打印，用于多功能柔性結(jié)構(gòu)與器件的快速一體化成型。該成果題為“3D printing of highly stretchable hydrogel with diverse UV curable polymers"。

聯(lián)合研究團隊合作開發(fā)出一種簡單而通用的水凝膠-高分子多材料3D打印方法，可使得高拉伸-高含水量丙烯酰胺水凝膠在數(shù)字光處理3D打印過程能與不同光敏樹脂形成強韌的界面結(jié)合力。該方法巧妙地利用了改性水溶性光引發(fā)劑-2,4,6二苯基氧化膦（TPO）在引發(fā)丙烯酰胺水凝膠光聚合反應時的不全性，使其能與包括彈性體、剛性聚合物、ABS類樹脂、形狀記憶高分子在內(nèi)的不同（甲基）丙烯酸酯類樹脂形成共價界面，因此具有普適性。

如圖1所示，利用葛锜團隊自主開發(fā)的數(shù)字光處理技術(shù)多材料3D打印系統(tǒng)，可實現(xiàn)水凝膠-高分子高精度多材料復雜混合三維結(jié)構(gòu)的快速一體化成型。通過三個應用案例，論文論證所提出的新方法可以極大地豐富水凝膠-高分子結(jié)構(gòu)與器件的設計自由度，并實現(xiàn)其功能和性能的進一步提升。

圖1. 多材料3D打印水凝膠與其他高分子材料的復合三維結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，通過多材料3D打印技術(shù)可實現(xiàn)水凝膠三維復合材料結(jié)構(gòu)的快速一體化成型。通過剛度增強微結(jié)構(gòu)設計，可將水凝膠復合材料拉伸模量提高約30倍，壓縮模量提高高達700多倍。此外，通過調(diào)節(jié)微結(jié)構(gòu)局部尺寸，可實現(xiàn)對水凝膠復合材料局部剛度的調(diào)控。

圖2. 多材料3D打印水凝膠復合材料三維結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，通過多材料3D打印技術(shù)制備的具有藥物緩釋功能的水凝膠-形狀記憶高分子（SMP）心血管支架。所采用的形狀記憶高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為30℃，在體溫37℃環(huán)境下會自動展開撐開硬化、狹窄的心血管。而在心血管支架上通過3D打印嵌入的水凝膠材料則賦予其藥物緩釋功能。實驗表明，負載藥物的水凝膠在經(jīng)過2分鐘、30分鐘和1小時后，藥物釋放量分別為3%、16%和30%，在24小時后可釋放。

圖3. 3D打印的具有藥物緩釋功能的形狀記憶心血管支架。

如圖4所示，通過多材料3D打印離子導電水凝膠與光敏彈性體可以直接通過3D打印將應變傳感功能賦予軟體驅(qū)動器，實現(xiàn)軟體機器人的驅(qū)動-傳感快速一體化成型。

圖4. 3D打印的具有應力傳感功能的軟體驅(qū)動器。

摩方精密與質(zhì)多三維聯(lián)合推出全新多材料4D打印解決方案——microArch® M150，支持硬樹脂、彈性體、水凝膠、形狀記憶高分子、導電彈性體等多功能材料及其組合結(jié)構(gòu)一體化成型。

離心式多材料切換技術(shù)：離心轉(zhuǎn)速最高達10000轉(zhuǎn)/分鐘，60秒內(nèi)快速完成多材料動態(tài)切換，單次打印支持高達2,500次的材料轉(zhuǎn)換;

配套多材料切片軟件：自主研發(fā)多材料模型切片系統(tǒng)，支持多種材料在空間任意分布的多材料模型切片，切片處理速度高達500張/分鐘；

支持各類高性能的4D打印功能材料：適配粘度范圍5~5,000 cps的多元化4D打印材料體系；

多材料多功能耦合結(jié)構(gòu)一體成型：實現(xiàn)高復雜度、高精度、多功能的多材料耦合結(jié)構(gòu)一體化成型，支持同時打印1-3種材料，實現(xiàn)層內(nèi)/層間多材料切換，且多材料層內(nèi)過渡區(qū)尺寸＜100微米。