圖解各種用于軟物質 軟材料及其柔性電子的3D打印技術

圖解各種用于軟物質 軟材料及其柔性電子的3D打印技術

與人體組織具有相似性能的軟材料在現代跨學科研究中發揮了關鍵作用，其被廣泛用于生物醫療中。與傳統加工方法相比，3D打印可實現復雜結構的快速原型制作和批量定制，非常適合加工軟材料（軟物質）。然而，軟材料的3D打印的發展仍處于早期階段，并且面臨許多挑戰，包括可打印材料有限，打印分辨率和速度低以及打印結構多功能性差等。浙江大學賀永教授課題組多年從事3D打印水凝膠、硅膠等軟材料的研究，近期EFLers梳理和總結了應對軟材料打印的響應策略，在Advanced Functional Materials上發表了題為“A Review of 3D Printing Technologies for Soft Polymer Materials”的長篇綜述。

本綜述重點聚焦三點：

1）如何便捷開發可打印材料？

2）如何選擇合適的方法并提高打印分辨率？

3）如何通過3D打印直接構建復雜軟結構/系統？

我們回顧了用于打印軟聚合物材料的主流3D打印技術，歸納了如何提高打印分辨率和速度，選擇合適的打印技術，開發新穎的可打印材料以及打印多種材料。系統總結了軟材料3D打印在仿生設計、柔性電子、軟機器人和生物醫學領域的應用進展。

1. 主流3D打印技術概述

受到軟材料獨特的理化性質限制，當前打印軟材料的主流技術主要有四種：激光熔融燒結（SLS）、光固化打印（SLA、DLP、CLIP、CAL）、噴墨打?。↖nkjetPrinting、E-jet）、擠出打印（FDM、DIW、EHDP）等。每種方法都有自己各自的材料要求以及打印特性。本綜述詳細介紹了各打印方法的原理、材料要求、打印速度、打印精度和多材料能力，為選擇合適的打印方法提供了指南。

圖1 3D打印軟材料使用的主流技術

2.多材料3D打印進展概述

與單一材料的打印相比，多材料3D打印能夠直接構造復雜的功能結構，具有更強的可定制性。本綜述將軟材料的多材料3D進展分為兩類：復合材料的3D打印和多種材料的3D打印。前者直接使用復合材料作為打印材料構造復雜結構，后者則通過3D打印過程來構建多材料結構。

使用多材料3D打印的最終目的是為了構建具有強大功能的結構。具體而言，將復合材料運用到3D打印中主要為了：

1）提高材料可打印性；

2）提高材料機械性能；

3）賦予材料新的理化性質（如導電性、磁響應性、形狀記憶性等）；

4）利用可犧牲組分構建多孔結構。

而對于多種材料的3D打印，則有多種方法來實現多材料的集成，包括：

1）多噴頭/多墨盒打印；

2）同軸打印；

3）埋入式打印。

其目的可以概括為：

1）可犧牲的支撐以構建復雜結構；

2）多材料的耦合實現機械增強；

3）不同功能的材料集成以構建具有實際功能的結構。

本綜述系統概括了相關的進展，為如何利用多材料3D打印構造具有優良性能和強大功能的軟材料系統提供了指導。

圖2 多材料3D打印概述

3.軟材料3D打印的應用

3D打印能夠便捷地集成多種材料，實現快速原型，為多學科交叉領域應用的驗證提供了強大的工具。而軟材料具有和生物體相似的性質，在于生物相關的領域發揮了越來越重要的作用。本綜述介紹了軟材料3D打印在仿生設計、柔性電子、軟機器人和生物醫學領域的應用進展，為軟材料3D打印的應用指明了可能的方向。

圖3 3D打印仿生結構

圖4 3D打印柔性電子

圖5 3D打印軟機器人

圖6 生物3D打印

4.展望

未來，集成多種材料以實現復雜應用將會是大勢所趨，軟材料3D打印的研究重點會在：

1）集成高精度和高速度打印以滿足復雜結構快速原型的需要；2）開發高度集成的多材料3D打印技術來滿足對具有高功能性和復雜多尺度幾何形狀的打印結構的需求；3）開發新型的打印材料以豐富打印結構的功能；4）將仿生學思想融入設計過程中來構建超性能結構。

圖7 軟材料3D打印的未來發展展望

題為“A Review of 3D Printing Technologies for Soft Polymer Materials”的綜述論文已在Advanced Functional Materials 在線刊登。周璐瑜碩士生為第一作者，賀永教授為通訊作者。

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論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202000187