中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在提升3D打印水凝膠結(jié)構(gòu)分辨率研究方面取得重要進(jìn)展

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)  

墨水直寫3D打印是一種應(yīng)用廣泛的增材制造技術(shù)，該方法依賴的墨水成分選擇空間大并且制造成本相對(duì)低廉。然而，墨水直寫方法受制于低打印分辨率，在打印高分辨率的三維結(jié)構(gòu)方面十分困難。水凝膠是一個(gè)高度溶脹的高分子網(wǎng)絡(luò)，失水時(shí)可以產(chǎn)生巨大的體積變化，利用三維水凝膠結(jié)構(gòu)的體積收縮來制造微型結(jié)構(gòu)是一個(gè)可選的方案。此外，墨水直寫方法在打印具有復(fù)雜懸空結(jié)構(gòu)時(shí)同樣面臨著挑戰(zhàn)，常用的策略是后期將目標(biāo)材料灌入打印的犧牲模板中來間接制造復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。最近的研究工作集中在光固化犧牲模板上，但是去除這些模板一般需要高溫處理或有毒溶劑，極大地限制了可灌注的目標(biāo)材料種類。

近日，中國科大俞書宏院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種提升墨水直寫3D打印技術(shù)分辨率的方法，該方法是基于一種可打印水凝膠（卡波姆凝膠）的可控收縮特性。研究人員通過引入分子鏈間的共價(jià)鍵交聯(lián)賦予了水凝膠干燥后均勻收縮的特性，3D打印水凝膠結(jié)構(gòu)的體積可收縮至原先的0.5%，提升了墨水直寫3D打印技術(shù)的制造分辨率。此外，研究人員利用該水凝膠體系預(yù)先打印犧牲模板，而非將目標(biāo)材料墨水直接納入打印墨水體系，無需對(duì)目標(biāo)墨水的流變性能進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，拓展了可制造材料的種類。該研究成果以“Controlled desiccationof preprinted hydrogel scaffolds toward complex 3D microarchitectures”為題發(fā)表在Advanced Materials上。我校博士生崔晨為論文的第一作者，俞書宏院士和高懷嶺教授為通訊作者。

為了提高墨水直寫3D打印技術(shù)的打印復(fù)雜度和打印分辨率，研究人員利用具有可控收縮特性的水凝膠微粒作為犧牲模板的墨水，打印的水凝膠犧牲模板在受控干燥后體積收縮了99.5%（圖1g），成功制造了具有亞毫米分辨率的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)（以雙螺旋結(jié)構(gòu)為例）。研究表明，水凝膠中的分子間共價(jià)交聯(lián)是實(shí)現(xiàn)水凝膠均勻收縮的關(guān)鍵因素之一。研究人員測(cè)試了多種交聯(lián)方式的水凝膠，驗(yàn)證了該策略的普適性。

圖1 可控收縮水凝膠通過墨水直寫3D打印制備犧牲模板，打印結(jié)構(gòu)經(jīng)過自然干燥，在保持原先結(jié)構(gòu)的前提下體積大大減小，由此提升了制造分辨率

為了進(jìn)一步研究犧牲模板中孔道的幾何各向異性對(duì)收縮均勻性的影響，研究人員分別打印了具有水平和豎直圓柱形孔道的支架。水平和豎直孔道截面的重疊系數(shù)分別為0.94和0.95，表明了孔道結(jié)構(gòu)收縮前后的高形狀保持率和水凝膠支架在三維空間的均勻收縮（圖2a）。為了探索水凝膠的最大收縮倍數(shù)，使用氫氧化鈉中和的卡波姆凝膠分別實(shí)現(xiàn)了在水平方向上5.95倍、在豎直方向上5.32倍的均勻收縮（圖2b）。

研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一個(gè)具有三維導(dǎo)電通路的邏輯電路和磁性微型機(jī)器人作為概念驗(yàn)證。可控收縮的3D打印水凝膠在干燥后構(gòu)成了微電路支架，注入的液態(tài)金屬EGaIn構(gòu)成了內(nèi)部的導(dǎo)電通路。Micro LED被固定在立方體電路的五個(gè)表面上，通過連接底部不同的觸點(diǎn)對(duì)，Micro LED會(huì)被依次點(diǎn)亮（圖2g）。利用可控收縮的3D打印水凝膠作為犧牲模板還制造了特征尺寸為90微米的磁性微型機(jī)器人。在可控磁場(chǎng)的作用下，該微型機(jī)器人具有良好的旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)功能。

圖2 水凝膠犧牲支架中孔道的幾何各向異性對(duì)均勻收縮的影響及制造的三維電路器件

研究人員利用可打印水凝膠的可控收縮特性提升了墨水直寫3D打印技術(shù)的制造分辨率和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。未來，水凝膠輔助3D打印方法將為解決三維微納制造的經(jīng)濟(jì)性和靈活性問題提供新的思路。

該工作受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目、中央高校基本科研專項(xiàng)資金等資助。