在凝膠介質(zhì)中3D打印 奇跡發(fā)生了

現(xiàn)在，3D打印早已不是什么新話題，只要在計(jì)算機(jī)上建好模型，人們就可以用3D打印機(jī)在立體的空間里隨意“揮毫潑墨”了。但是，這份“隨意”依然有一些限制，如果是打印非常纖細(xì)復(fù)雜的部件，或者使用柔軟、脆弱的材料，打印制品都會(huì)容易變形。

而現(xiàn)在，一組美國(guó)研究們?yōu)檫@一問題找到了巧妙的解決方案。只要用上一種生活中也很常見的東西，就能讓所有纖細(xì)的結(jié)構(gòu)都得到支撐，使3D打印獲得真正的“自由”。在演示視頻中，研究者就用他們的設(shè)備毫不費(fèi)力地打出了擁有纖細(xì)觸手的“水母”、俄羅斯套娃等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并且絲毫不會(huì)走樣。

▲一只3D打印水母。原視頻來自：Sam Tracey

據(jù)南極熊3D打印網(wǎng)了解，一般3D打印機(jī)都是在空氣或者特種氣體環(huán)境下進(jìn)行打印，而這些研究人員卻是一種名叫“卡波姆”的凝膠基質(zhì)中進(jìn)行3D打印。卡波姆是由丙烯酸酯和多元醇聚合形成的一種交聯(lián)高分子材料，由于其分子鏈結(jié)構(gòu)中有很多親水性的羧基（—COOH），因此它可以“鎖住”大量水分子，在分子鏈中間形成水凝膠。如果研究過化妝品的成分表，你可能對(duì)卡波姆并不陌生。僅需很低濃度的卡波姆即可起到高效的增稠作用，因此卡波姆凝膠從20世紀(jì)90年代起就已經(jīng)作為日化用品的流變調(diào)節(jié)劑而被廣泛使用了。用卡波姆增稠后的日化用品一方面可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存放，另一方面使用時(shí)的觸感也更加柔滑。

▲干燥（左）及凝膠狀態(tài)（右）的卡波姆，在日化產(chǎn)品中也經(jīng)常能見到它。

在這里，研究者們使用的是顆粒大小只有7微米的卡波姆凝膠微粒。這種水凝膠有種特別的物理性質(zhì)：它平時(shí)可以穩(wěn)定地保持形狀，而只需要施加低強(qiáng)度的剪切力就可以讓它表現(xiàn)出良好的流動(dòng)性。這也就是說，當(dāng)3D打印的材料留在原地時(shí)，凝膠可以為它提供支撐，而當(dāng)打印所用的針頭在凝膠中移動(dòng)時(shí)，它周圍的凝膠又會(huì)流動(dòng)起來，不阻礙針頭的運(yùn)動(dòng)。而且，在針頭移走之后，周圍的凝膠還會(huì)再恢復(fù)原狀。

▲在凝膠中打印的復(fù)雜管道結(jié)構(gòu)。原視頻來自：Sam Tracey

有了立體凝膠“畫板”的支撐，科學(xué)家們只要控制一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的針頭作為“畫筆”，將打印“顏料”注射到合適的位置就可以完成打印了�！爱嫻P”移動(dòng)的時(shí)候，卡波姆凝膠像液體一樣讓針頭在其中滑過，而留下的“筆跡”則會(huì)在凝膠中留在原處。

▲為了展示技術(shù)的精細(xì)，研究者們還打印起了迷你俄羅斯套娃。注意，圖上的標(biāo)尺長(zhǎng)度可只有5毫米。原視頻來自：Sam Tracey

提供支撐的凝膠基質(zhì)能與很多材料兼容，硅樹脂、凝膠、膠體甚至活細(xì)胞的分散液都可以作為“顏料”來進(jìn)行打印。在經(jīng)過處理之后，凝膠中的打印品也可以毫發(fā)無損地取出。例如，研究者們使用了加入光引發(fā)劑的打印材料來制作這些水母，打印制品經(jīng)過紫外光照射交聯(lián)之后再經(jīng)過水洗去，水母?jìng)兙涂梢詮哪�膠介質(zhì)中解放出來了。

在經(jīng)過交聯(lián)處理后，3D打印的小水母就可以毫發(fā)無傷地從凝膠中取出。圖片來自：T Bhattacharjee, K Schulze, W G Sawyer and T E Angelini, University of Florida

凝膠介質(zhì)的加入為3D打印技術(shù)拓展了更多的可能，它在生物技術(shù)、仿生結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域都可以找到自己的用武之地。而這種利用尋常材料解決前沿問題的巧妙思路，對(duì)工程師們也很有啟發(fā)性。

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