美国德克萨斯州奥斯汀——受自然界中坚韧与灵活特性的启发,如周围带有柔性软骨的刚性骨骼,德克萨斯大学的研究人员开发了一种快速精准的新型3D打印方法,能够利用不同颜色的光将软硬特性无缝融合到单一物体中。
这一进展可能为下一代义肢、柔性医疗设备及能随身体自然运动的可拉伸电子产品铺平道路,类似于人类的关节或韧带。这一过程在《自然材料》期刊上发表的论文中进行了详细描述。
“我们研究小组真正的动机是关注自然中的材料,”德克萨斯大学化学系助理教授、论文通讯作者Zak Page表示。“自然以有机的方式结合了硬和软材料而不发生界面故障。我们希望复制这一过程。”
与此相关的一篇论文于5月29日在《ACS中央科学》上发表,该论文的编辑在评论中赞扬了此项工作,指出这项研究代表了“3D打印的未来”,并展示了“光不仅仅是固化树脂的工具,而是一个精细调控的雕塑家,能够推动下一代增材制造的发展。”
“这种方法可以使增材制造在与传统工艺(如注射成型)相比时,在高容量生产中变得更具竞争力。同样重要的是,它为新的设计可能性打开了大门,”该研究的第一作者、Page实验室的研究生Keldy Mason说。“这为工程师、设计师和制造者提供了更多的创作自由。”
创建具有截然不同物理性质的物体的最大挑战之一是,材料往往会在接触点出现故障,比如运动鞋的橡胶鞋底往往会随着时间的推移与上面的柔软网布分离。
新型3D打印方法使用了定制设计的液态树脂和双光源打印系统,根据所使用光的颜色激活不同的化学反应。通过照射紫光,树脂固化为一种柔软的橡胶状材料。而在高能紫外光照射的区域,树脂则变得坚固而强韧。最终的结果是,一个在一个打印过程中拥有不同软硬区的物体。
“我们在分子中内置了带有反应性基团的化合物,这样我们两个固化反应可以在界面处‘相互交流’,”Page表示。“这给我们提供了一个更强的软硬部分连接,而且如果我们需要,可以实现渐变过渡。”
研究团队通过打印一个小型但功能性的膝关节进行了系统演示,该膝关节具有灵活的韧带和坚硬的骨头,能够平滑地一起运动。他们还创建了一个原型可拉伸电子设备,金线装置安装在一条可以弯曲和拉伸的条带上,但有一个更坚固的部分以防止电路破裂。
“坦诚地说,最让我惊讶的是第一次尝试就实现了如此良好的效果。这在3D打印树脂中几乎是绝无仅有的,”Page说。“我们也对性质差异之大感到震惊。软部分像橡皮筋一样拉伸并反弹,硬部分则像消费品中使用的塑料一样坚固。”
这一过程还比以往的方法更快,解析度更高。由于打印设备相对简单且价格不高,这项技术可能会惠及研究人员、医院和教育工作者。
“它可以用于原型外科模型、可穿戴传感器,甚至是软机器人,”Page表示。“这里有太多潜力。”
德克萨斯大学奥斯汀分校的Ji-Won Kim、Lynn M. Stevens、Henry L. Cater、Ain Uddin、Marshall J. Allen、Elizabeth A. Recker、Anthony J. Arrowood、Gabriel E. Sanoja、Benny D. Freeman、Ang Gao、Wyatt Eckstrom和Michael A. Cullinan也参与了《自然材料》期刊的这篇论文。Keldy Mason、Jenna M. Nymick、Mingyu Shi、Franz A. Stolpen和Jaechul Ju与Kim、Recker和Page在5月的《ACS中央科学》论文中共同撰写了相关内容。此项目获得了美国国防部、Robert A. Welch基金会和国家科学基金会的资助支持,团队基础研究的额外支持来自美国能源部及科学进步研究机构。
德克萨斯大学奥斯汀分校承诺对此次研究中所有潜在利益冲突的透明披露。研究人员已向学校提交所要求的财务披露表格。Page、Allen和Kim就本新闻稿中描述的技术申请了专利(#PCT/US2024/035169)。
图片源于:news