中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在提升3D打印水凝膠結(jié)構(gòu)分辨率研究方面取得重要進(jìn)展

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)  

墨水直寫3D打印是一種應(yīng)用廣泛的增材制造技術(shù)，該方法依賴的墨水成分選擇空間大并且制造成本相對低廉。然而，墨水直寫方法受制于低打印分辨率，在打印高分辨率的三維結(jié)構(gòu)方面十分困難。水凝膠是一個高度溶脹的高分子網(wǎng)絡(luò)，失水時可以產(chǎn)生巨大的體積變化，利用三維水凝膠結(jié)構(gòu)的體積收縮來制造微型結(jié)構(gòu)是一個可選的方案。此外，墨水直寫方法在打印具有復(fù)雜懸空結(jié)構(gòu)時同樣面臨著挑戰(zhàn)，常用的策略是后期將目標(biāo)材料灌入打印的犧牲模板中來間接制造復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。最近的研究工作集中在光固化犧牲模板上，但是去除這些模板一般需要高溫處理或有毒溶劑，極大地限制了可灌注的目標(biāo)材料種類。

近日，中國科大俞書宏院士團(tuán)隊報道了一種提升墨水直寫3D打印技術(shù)分辨率的方法，該方法是基于一種可打印水凝膠（卡波姆凝膠）的可控收縮特性。研究人員通過引入分子鏈間的共價鍵交聯(lián)賦予了水凝膠干燥后均勻收縮的特性，3D打印水凝膠結(jié)構(gòu)的體積可收縮至原先的0.5%，提升了墨水直寫3D打印技術(shù)的制造分辨率。此外，研究人員利用該水凝膠體系預(yù)先打印犧牲模板，而非將目標(biāo)材料墨水直接納入打印墨水體系，無需對目標(biāo)墨水的流變性能進(jìn)行重新設(shè)計，拓展了可制造材料的種類。該研究成果以“Controlled desiccationof preprinted hydrogel scaffolds toward complex 3D microarchitectures”為題發(fā)表在Advanced Materials上。我校博士生崔晨為論文的第一作者，俞書宏院士和高懷嶺教授為通訊作者。

為了提高墨水直寫3D打印技術(shù)的打印復(fù)雜度和打印分辨率，研究人員利用具有可控收縮特性的水凝膠微粒作為犧牲模板的墨水，打印的水凝膠犧牲模板在受控干燥后體積收縮了99.5%（圖1g），成功制造了具有亞毫米分辨率的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)（以雙螺旋結(jié)構(gòu)為例）。研究表明，水凝膠中的分子間共價交聯(lián)是實現(xiàn)水凝膠均勻收縮的關(guān)鍵因素之一。研究人員測試了多種交聯(lián)方式的水凝膠，驗證了該策略的普適性。

圖1 可控收縮水凝膠通過墨水直寫3D打印制備犧牲模板，打印結(jié)構(gòu)經(jīng)過自然干燥，在保持原先結(jié)構(gòu)的前提下體積大大減小，由此提升了制造分辨率

為了進(jìn)一步研究犧牲模板中孔道的幾何各向異性對收縮均勻性的影響，研究人員分別打印了具有水平和豎直圓柱形孔道的支架。水平和豎直孔道截面的重疊系數(shù)分別為0.94和0.95，表明了孔道結(jié)構(gòu)收縮前后的高形狀保持率和水凝膠支架在三維空間的均勻收縮（圖2a）。為了探索水凝膠的最大收縮倍數(shù)，使用氫氧化鈉中和的卡波姆凝膠分別實現(xiàn)了在水平方向上5.95倍、在豎直方向上5.32倍的均勻收縮（圖2b）。

研究人員進(jìn)一步設(shè)計了一個具有三維導(dǎo)電通路的邏輯電路和磁性微型機(jī)器人作為概念驗證?？煽厥湛s的3D打印水凝膠在干燥后構(gòu)成了微電路支架，注入的液態(tài)金屬EGaIn構(gòu)成了內(nèi)部的導(dǎo)電通路。Micro LED被固定在立方體電路的五個表面上，通過連接底部不同的觸點對，Micro LED會被依次點亮（圖2g）。利用可控收縮的3D打印水凝膠作為犧牲模板還制造了特征尺寸為90微米的磁性微型機(jī)器人。在可控磁場的作用下，該微型機(jī)器人具有良好的旋轉(zhuǎn)和運動功能。

圖2 水凝膠犧牲支架中孔道的幾何各向異性對均勻收縮的影響及制造的三維電路器件

研究人員利用可打印水凝膠的可控收縮特性提升了墨水直寫3D打印技術(shù)的制造分辨率和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。未來，水凝膠輔助3D打印方法將為解決三維微納制造的經(jīng)濟(jì)性和靈活性問題提供新的思路。

該工作受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項目、中央高?；究蒲袑ｍ椯Y金等資助。