圖解各種用于軟物質(zhì) 軟材料及其柔性電子的3D打印技術(shù)

圖解各種用于軟物質(zhì) 軟材料及其柔性電子的3D打印技術(shù)

與人體組織具有相似性能的軟材料在現(xiàn)代跨學(xué)科研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其被廣泛用于生物醫(yī)療中。與傳統(tǒng)加工方法相比，3D打印可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速原型制作和批量定制，非常適合加工軟材料（軟物質(zhì)）。然而，軟材料的3D打印的發(fā)展仍處于早期階段，并且面臨許多挑戰(zhàn)，包括可打印材料有限，打印分辨率和速度低以及打印結(jié)構(gòu)多功能性差等。浙江大學(xué)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(jié)了應(yīng)對(duì)軟材料打印的響應(yīng)策略，在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“A Review of 3D Printing Technologies for Soft Polymer Materials”的長(zhǎng)篇綜述。

本綜述重點(diǎn)聚焦三點(diǎn)：

1）如何便捷開(kāi)發(fā)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(guò)3D打印直接構(gòu)建復(fù)雜軟結(jié)構(gòu)/系統(tǒng)？

我們回顧了用于打印軟聚合物材料的主流3D打印技術(shù)，歸納了如何提高打印分辨率和速度，選擇合適的打印技術(shù)，開(kāi)發(fā)新穎的可打印材料以及打印多種材料。系統(tǒng)總結(jié)了軟材料3D打印在仿生設(shè)計(jì)、柔性電子、軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

1. 主流3D打印技術(shù)概述

受到軟材料獨(dú)特的理化性質(zhì)限制，當(dāng)前打印軟材料的主流技術(shù)主要有四種：激光熔融燒結(jié)（SLS）、光固化打印（SLA、DLP、CLIP、CAL）、噴墨打印（InkjetPrinting、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(xì)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(shù)

2.多材料3D打印進(jìn)展概述

與單一材料的打印相比，多材料3D打印能夠直接構(gòu)造復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)，具有更強(qiáng)的可定制性。本綜述將軟材料的多材料3D進(jìn)展分為兩類：復(fù)合材料的3D打印和多種材料的3D打印。前者直接使用復(fù)合材料作為打印材料構(gòu)造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，后者則通過(guò)3D打印過(guò)程來(lái)構(gòu)建多材料結(jié)構(gòu)。

使用多材料3D打印的最終目的是為了構(gòu)建具有強(qiáng)大功能的結(jié)構(gòu)。具體而言，將復(fù)合材料運(yùn)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(jī)械性能；

3）賦予材料新的理化性質(zhì)（如導(dǎo)電性、磁響應(yīng)性、形狀記憶性等）；

4）利用可犧牲組分構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)。

而對(duì)于多種材料的3D打印，則有多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)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(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)；

2）多材料的耦合實(shí)現(xiàn)機(jī)械增強(qiáng)；

3）不同功能的材料集成以構(gòu)建具有實(shí)際功能的結(jié)構(gòu)。

本綜述系統(tǒng)概括了相關(guān)的進(jìn)展，為如何利用多材料3D打印構(gòu)造具有優(yōu)良性能和強(qiáng)大功能的軟材料系統(tǒng)提供了指導(dǎo)。

圖2 多材料3D打印概述

3.軟材料3D打印的應(yīng)用

3D打印能夠便捷地集成多種材料，實(shí)現(xiàn)快速原型，為多學(xué)科交叉領(lǐng)域應(yīng)用的驗(yàn)證提供了強(qiáng)大的工具。而軟材料具有和生物體相似的性質(zhì)，在于生物相關(guān)的領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。本綜述介紹了軟材料3D打印在仿生設(shè)計(jì)、柔性電子、軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，為軟材料3D打印的應(yīng)用指明了可能的方向。

圖3 3D打印仿生結(jié)構(gòu)

圖4 3D打印柔性電子

圖5 3D打印軟機(jī)器人

圖6 生物3D打印

4.展望

未來(lái)，集成多種材料以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)用將會(huì)是大勢(shì)所趨，軟材料3D打印的研究重點(diǎn)會(huì)在：

1）集成高精度和高速度打印以滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速原型的需要；2）開(kāi)發(fā)高度集成的多材料3D打印技術(shù)來(lái)滿足對(duì)具有高功能性和復(fù)雜多尺度幾何形狀的打印結(jié)構(gòu)的需求；3）開(kāi)發(fā)新型的打印材料以豐富打印結(jié)構(gòu)的功能；4）將仿生學(xué)思想融入設(shè)計(jì)過(guò)程中來(lái)構(gòu)建超性能結(jié)構(gòu)。

圖7 軟材料3D打印的未來(lái)發(fā)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