面向新型4D打印的具有高度可拉伸性、形狀記憶和自修復(fù)的3D打印彈性體

供稿人:湯磊 李滌塵
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

具有形狀記憶和自愈合等智能功能的柔性可拉伸材料的3D打印技術(shù)對(duì)于未來(lái)4D打印技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，可以直接用于柔性驅(qū)動(dòng)器、可穿戴智能醫(yī)療設(shè)備和柔性電子設(shè)備等技術(shù)領(lǐng)域。美國(guó)佐治亞理工大學(xué)的研究者提出了一種新型的3D打印墨水，該墨水可以再紫外線照射輔助下通過(guò)墨水直寫打印具有高度可拉伸性、形狀記憶和自愈合功能的3D打印彈性體。

圖 1 具有高度可拉伸性、形狀記憶和自修復(fù)的3D打印彈性體

研究者開發(fā)了一種包含氨基甲酸酯二丙烯酸酯和線性半結(jié)晶聚合物的3D打印墨水，可通過(guò)墨水直寫打印來(lái)生成一種具有嵌入式半結(jié)晶熱塑性聚合物的高拉伸性半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)彈性體，最大可拉伸量為600%，且具有面內(nèi)各向同性特性。結(jié)構(gòu)中嵌入的半結(jié)晶熱塑性聚合物塑料在形狀記憶功能的切換階段和自愈合功能的修復(fù)階段擔(dān)當(dāng)著雙重角色。研究者測(cè)試多種復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的形狀記憶功能，均顯示出良好的形狀記憶特性，變形恢復(fù)時(shí)間約為1分鐘。針對(duì)材料表面的微裂縫和大型缺陷，通過(guò)熱處理的方式能夠有效刺激材料本身的自愈合功能，縮小裂痕的尺寸，提高材料在缺陷處的力學(xué)性能。

圖 2 (a)不同之間的3D打印血管(b)從左到右分別是血管的初始形狀、固定的臨時(shí)形狀和恢復(fù)的初始形狀(c)形狀記憶用于血管修復(fù)的應(yīng)用演示：1待修復(fù)的血管被切開，2用夾子止住血液流動(dòng)，3在血管斷裂處植入3D打印血管，4通過(guò)加熱使3D打印血管恢復(fù)原狀并與兩端血管連接起來(lái)，5松開夾子血管恢復(fù)血液流動(dòng)，6所有比例尺均為2mm

基于以上的研究，研究者們展示了該種材料在血管修復(fù)方面的潛在應(yīng)用。研究者使用內(nèi)徑為250μm的噴嘴在2mm/s的速度下打印出長(zhǎng)度約為10mm的形狀記憶彈性管體。在70℃的環(huán)境下將彈性管拉伸并壓縮至原始直徑一半的臨時(shí)形狀，然后再冷卻后固定該形狀。冷卻后的臨時(shí)形狀在室溫下非常穩(wěn)定，加熱后，彈性管將恢復(fù)至原始的形狀。具體的操作流程演示如圖2所示，整個(gè)修復(fù)過(guò)程將在3~5分鐘內(nèi)完成，這對(duì)于血管修復(fù)手術(shù)是非常重要的。此外，作者提出上述的研究?jī)?nèi)容目前只是一個(gè)概念驗(yàn)證，未來(lái)的研究可以在復(fù)合功能材料、血管生物降解、磁場(chǎng)或近紅外遠(yuǎn)距離加熱等方面繼續(xù)深入。

參考文獻(xiàn)：
Kuang X, Chen K, Dunn C K, et al. 3D Printing of Highly Stretchable, Shape-Memory and Self-Healing Elastomer toward Novel 4D Printing[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2018:acsami.7b18265.