基于可编程材料的微型4D打印

E. BLASCO/C. A. SPIEGEL

能够在建造后自我改造的物体在从机器人到生物医学的各个领域都有很多有用的应用。一种将3D打印和具有动态化学键的墨水相结合的新技术可以创建微型结构，其尺寸和机械性能可以在制造后动态调整。

“可编程物质”的概念已经存在了几十年，它可以根据刺激来调整其物理特性，但最近在增材制造方面的进展使其触手可及。通过使用对高温或电流等事物有反应的材料进行3D打印，研究人员已经能够创建出形状或功能可以变形和适应的物体。

这种方法被称为4D打印，时间是额外的维度，已经被用于创建从机器人抓取器到用于生长生物组织的适应性支架的所有东西。现在，研究人员已经公开了一项新技术，该技术可以打印复杂的微型结构，这些结构后来可以扩展到其尺寸的八倍，也可以随意变硬或变软。

关键是一种新的油墨配方，它包括可打开和关闭的动态化学键，从而可以调整印刷对象的机械性能或允许加入新材料。领导这项研究的海德堡大学高分子化学教授Eva Blasco表示，将这些动态键和特性整合到3D打印物体中，可以让用户在制作后仔细调整各种物理特性。

她说：“这是我们第一次有这种‘活力’的概念，我们在印刷的微观结构中有活性键，使我们能够进一步生长或改变机械性能。这是一件非常基本的事情，之后你可以在此基础上建立更多的想法。”

为了创建详细的微观结构，Blasco的团队依赖于一种称为双光子激光打印（2PLP）的方法，该方法通过将激光束照射在墨水上，墨水在暴露于光时发生化学反应。通常，这涉及一种称为聚合的反应，其中称为单体的小分子反应在一起形成长链，称为聚合物。

无论激光聚焦在哪里，都会形成聚合物网络。因此，通过仔细扫描感光材料，就有可能建立具有精确特征的复杂3D物体。Blasco表示，与其他3D打印方法相比，这种方法能够以更小的规模运行。

在《高级功能材料》杂志的一篇论文中，研究人员的主要创新是创造一种新的墨水配方，该配方可以产生一种具有特殊化学键的聚合物，称为动态共价键。Blasco说，当某些化学物质被引入聚合物中时，这些键可以打开和关闭，这使得在制造后调整印刷物体的微观结构成为可能。

为了展示他们的方法的潜力，她的团队3D打印了花朵、章鱼和壁虎的微型模型。这些物体只有几微米宽，是通过研究人员特别设计的墨水制造的，这种墨水在聚合时会产生一种橡胶状物质。然后将新印刷的物体浸入一个含有苯乙烯的小瓶中，苯乙烯是一种单体，在加热之前会产生一种称为聚苯乙烯的玻璃状聚合物，这会导致动态共价键打开。

一旦键打开，聚苯乙烯链就在两端之间形成，导致微型模型的体积在大约4小时内增长了8倍。聚苯乙烯的加入也导致模型变得更加坚硬，但尽管膨胀，它们仍然保持了形状和结构的精细细节。

在另一项实验中，研究人员表明，通过在有助于打开动态键的分子存在下加热印刷结构，他们可以在不改变其尺寸的情况下改变印刷结构的机械性能。这使得物体更柔软，因为打开键会减少聚合物网络中的交联量。

伦敦布鲁内尔大学（Brunel University London）添加剂制造专业的准教授Eujin Pei对膨胀或膨胀的可调材料进行了一段时间的研究。他表示，这项新研究更多的是对4D打印的现有知识和能力的扩展，而不是一项重大进步。他指出，大多数4D打印研究的重点是实现驱动或一系列动作，而不是简单地扩大尺寸。

不过，Blasco证明了这一评估，并规定她的团队的方法是一种概念证明，而且与实际应用仍有一定距离。尽管如此，她表示，将动态共价化学结合到3D打印中具有相当大的潜力，并将实现一些独特的功能。她补充道，这可能允许在制造后引入具有新颖功能的新单体，如弹性或荧光，所有这些都开辟了一系列新的可能性。

根据Blasco的说法，大多数4D打印方法都依赖于基本上在两种状态中的一种状态之间滑动的材料。相比之下，Blasco团队的方法可以在一系列值之间调整材料的属性。Blasco说：“从应用的角度来看，通过控制开键和闭键的比例，你有更多的通用性来适应材料特性。”

Blasco说，该团队的下一步将是使墨水的化学成分适应更具体的应用，包括找到使其具有生物相容性的方法。