研究人員用3D打印制造出章魚和壁虎圖案

來源：長三角G60激光聯(lián)盟


在海德堡大學(xué)的分子工程實(shí)驗(yàn)室里，研究人員用3D激光打印技術(shù)制造出微型壁虎和章魚圖案，這項(xiàng)研究會(huì)給微型機(jī)器人或生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域開辟新的機(jī)會(huì)。

具有“生命”特性的智能聚合物:由于動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵，微尺度的3D結(jié)構(gòu)可以在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)增長8倍并變硬�？潭�:20微米(μ m)。

打印出的微結(jié)構(gòu)是由被稱為智能聚合物的新材料制成的，其尺寸和機(jī)械性能可以根據(jù)需要進(jìn)行高精度調(diào)整。這些“逼真的”3D微結(jié)構(gòu)是在“3D物質(zhì)定制”(3DMM2O)卓越集群的框架下開發(fā)的，該集群由Ruperto Carola和卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)合作完成。

在這份研究中，研究人員報(bào)告了一種產(chǎn)生這種共價(jià)適應(yīng)性微觀結(jié)構(gòu)（CAM）的新途徑，通過在結(jié)構(gòu)制造后的打印后改性來精確調(diào)整其機(jī)械性能。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員將提供最高3D制造精度的2PLP與通過將烷氧胺功能結(jié)合到打印的3D微觀結(jié)構(gòu)中提供共價(jià)動(dòng)態(tài)鍵的簡(jiǎn)單油墨系統(tǒng)相結(jié)合（下圖a）。利用這種鍵類型的動(dòng)態(tài)和活態(tài)特性，通過NER使用額外的硝氧化物分子（TEMPO）和NMP使用苯乙烯作為擴(kuò)展的附加單體來修改3D微縮打印結(jié)構(gòu)（下圖b）。將2PLP技術(shù)與烷氧基胺化學(xué)相結(jié)合，將提供完全適應(yīng)性的3D微觀結(jié)構(gòu)，除了在分子和微觀尺度上進(jìn)行精確制造外，還可以為定制應(yīng)用調(diào)整其機(jī)械性能。

a）含有共價(jià)適應(yīng)性微觀結(jié)構(gòu)（CAM）的烷氧胺的3D激光打印過程的示意圖;b）通過氮氧化物交換反應(yīng)（左，CAM-NER）和通過氮氧化物介導(dǎo)的聚合（右，CAM-NMP）對(duì)CAM進(jìn)行打印后改性。

德國海德堡大學(xué)有機(jī)化學(xué)研究所和分子系統(tǒng)工程與先進(jìn)材料研究所的組長Eva Blasco博士說:“制造機(jī)械性能可根據(jù)需求調(diào)整的可編程材料在許多應(yīng)用中都是非常需要的�！边@一概念被稱為4D打印。4D打印材料的一個(gè)突出例子是形狀記憶聚合物——這種智能材料可以在溫度等外部刺激的作用下，從變形狀態(tài)恢復(fù)到原始形狀。

Blasco教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)最近介紹了在微尺度下3D打印形狀記憶聚合物的第一個(gè)例子。在與生物物理學(xué)家Joachim Spatz教授的工作小組合作下，研究人員開發(fā)了一種新的形狀記憶材料，可以在宏觀和微觀尺度上都具有高分辨率的3D打印。生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)包括盒子形狀的微建筑，其蓋子在受熱時(shí)關(guān)閉，然后可以重新打開。Eva Blasco工作小組的博士研究員Christoph Spiegel解釋說:“這些微小的結(jié)構(gòu)在低激活溫度下顯示出不尋常的形狀記憶特性，這對(duì)生物應(yīng)用來說非常有趣。”

a)油墨(ink)、參考微觀結(jié)構(gòu)(Ref)、CAM和CAM- ner的FTIR光譜。b) CAM與CAM- ner的氮氧化物交換反應(yīng)示意圖。c) PEG特異性(C2H5O+)信號(hào)區(qū)域參考微觀結(jié)構(gòu)(Ref)、CAM和CAM- ner的ToF-SIMS光譜。d) Ref、CAM和CAM- ner在烷氧胺特異性(C3H8NO+)信號(hào)區(qū)域的ToF-SIMS光譜。

利用適應(yīng)性材料，研究人員在后續(xù)研究中成功地生產(chǎn)出了更復(fù)雜的3D微結(jié)構(gòu)，如壁虎、章魚，甚至具有“生命”特性的向日葵。這些材料以動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵為基礎(chǔ)。海德堡大學(xué)的研究人員報(bào)告說，烷氧胺特別適合于這一目的。在打印過程結(jié)束后，這些動(dòng)態(tài)鍵使復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)增長了8倍，并在保持形狀的同時(shí)變硬。Blasco教授強(qiáng)調(diào)說:“傳統(tǒng)油墨不具備這些特性。含有動(dòng)態(tài)鍵的自適應(yīng)材料在3D打印領(lǐng)域有著光明的未來。”

a) CAM和CAM- NMP的FTIR光譜。聚苯乙烯的特征吸收峰突出顯示（紫色虛線）b) CAM和CAM- NMP的FTIR光譜。聚苯乙烯的特征吸收峰被突出顯示（紫色虛線）c)氮氧化物介導(dǎo)CAM- CAM- NMP聚合示意圖;d) C7H7+離子種類的ToF-SIMS光譜。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的材料科學(xué)家也參與了具有“生命”特性的適應(yīng)性材料的研究。德國研究基金會(huì)和卡爾蔡司基金會(huì)資助了這項(xiàng)工作，該工作是在3DMM2O卓越集群的框架內(nèi)進(jìn)行的。研究結(jié)果發(fā)表在《Advanced Functional Materials》雜志上的兩篇論文中。

來源：Covalent Adaptable Microstructures via Combining Two-Photon Laser Printing and Alkoxyamine Chemistry: Toward Living 3D Microstructures, Advanced Functional Materials, 10.1002/adfm.202207826