德克薩斯大學(xué)研究人員開發(fā)出用于混合材料物體的光控3D打印技術(shù)

2025年7月2日，南極熊獲悉，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（UT Austin）的研究人員開發(fā)了一種3D打印方法，可以復(fù)制自然界中軟硬材料的結(jié)合，例如軟骨包裹的骨骼。該方法利用不同顏色的光在柔性和剛性之間切換，從而能夠在一次打印中制造多材料物體。據(jù)稱，這種新方法有望推動(dòng)假肢、醫(yī)療器械、可拉伸電子產(chǎn)品和軟體機(jī)器人等廣泛應(yīng)用。

相關(guān)研究以題為“Hybrid epoxy–acrylate resins for wavelength-selective multimaterial 3D printing”的論文發(fā)表在《自然材料》雜志上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02249-z

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分?；瘜W(xué)助理教授、論文的通訊作者扎克·佩奇說道：“真正激勵(lì)我和我的研究團(tuán)隊(duì)的是研究自然界的材料。大自然以一種有機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，將硬質(zhì)和軟質(zhì)材料結(jié)合在一起，而不會(huì)在界面處發(fā)生破壞。我們想要復(fù)制這種現(xiàn)象。”

項(xiàng)目得到了美國國防部、國家科學(xué)基金會(huì)和羅伯特·A·韋爾奇基金會(huì)的支持，并獲得了美國能源部和科學(xué)促進(jìn)研究公司的額外基礎(chǔ)資金。

雙光 3D 打印：工作原理

新的光固化工藝涉及一種定制配方的液態(tài)樹脂和一套雙光系統(tǒng)。當(dāng)暴露在紫光下時(shí)，樹脂會(huì)固化成柔軟的橡膠狀材料。在紫外光 (UV) 下，它會(huì)硬化成硬質(zhì)塑料。這使得同一打印物體的不同區(qū)域能夠展現(xiàn)出截然不同的機(jī)械性能，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)連接。

佩奇說：“我們構(gòu)建了一個(gè)同時(shí)具有兩種反應(yīng)基團(tuán)的分子，這樣我們的兩種凝固反應(yīng)就可以在界面處‘相互交流’?！斑@使得軟硬部分之間的連接更加牢固，如果我們?cè)敢?，還可以實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式過渡。”

△混合材質(zhì)物體。圖片來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。

功能演示

為了測試新方法，研究團(tuán)隊(duì)打印了一個(gè)小型的、功能齊全的人體膝關(guān)節(jié)模型，包含了剛性和柔性部件，它們可以一起移動(dòng)而無需分離。他們還制作了一個(gè)可拉伸電子電路的原型，電路由一根安裝在條帶上的金線組成，金線條帶可以在某些區(qū)域彎曲和拉伸，而在其他區(qū)域保持剛性以保護(hù)電路。

佩奇說道：“說實(shí)話，最讓我驚訝的是它第一次嘗試就表現(xiàn)出色。這在3D打印樹脂中幾乎從未發(fā)生過。我們也對(duì)它們性能的差異感到震驚。柔軟的部分像橡皮筋一樣拉伸，然后反彈。而堅(jiān)硬的部分則像消費(fèi)品中使用的塑料一樣堅(jiān)固?！?/div>

這套裝置設(shè)計(jì)相對(duì)簡單、快速且成本低廉，有望在學(xué)術(shù)研究、醫(yī)療原型設(shè)計(jì)和其他領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。佩奇說道：“它可以用于制作手術(shù)模型、可穿戴傳感器甚至軟體機(jī)器人的原型，這方面潛力巨大?！?/div>

基于光的3D打印策略

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的技術(shù)是利用基于光的策略來增強(qiáng)材料控制并提高增材制造打印精度的一個(gè)例子。例如，麻省理工學(xué)院的研究人員最近開發(fā)了一種3D打印方法，使用了一種新型光敏樹脂：能夠根據(jù)所照射的光線類型形成耐用的結(jié)構(gòu)和可溶解的支撐物。紫外線 (UV) 會(huì)使樹脂硬化成堅(jiān)固的永久形狀，而可見光則會(huì)產(chǎn)生較弱的支撐物，可溶解于特定溶劑中。這種新方法無需切割或銼削等手動(dòng)后處理，從而加快了生產(chǎn)速度并最大限度地減少了浪費(fèi)。

△可溶解的支持物。圖片來自麻省理工學(xué)院。

2020年，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種光聚合物樹脂，旨在加速可見光的高分辨率固化。這種全色材料可在四種波長（紫色、藍(lán)色、綠色和紅色）下固化，由單體、光氧化還原催化劑、兩種共引發(fā)劑和遮光劑組成。研究人員指出，這種樹脂可以與包括生物化合物在內(nèi)的各種添加劑結(jié)合使用，從而應(yīng)用于組織工程和醫(yī)療器械制造。