德克薩斯大學研究人員開發(fā)出用于混合材料物體的光控3D打印技術

2025年7月2日，南極熊獲悉，德克薩斯大學奧斯汀分校（UT Austin）的研究人員開發(fā)了一種3D打印方法，可以復制自然界中軟硬材料的結(jié)合，例如軟骨包裹的骨骼。該方法利用不同顏色的光在柔性和剛性之間切換，從而能夠在一次打印中制造多材料物體。據(jù)稱，這種新方法有望推動假肢、醫(yī)療器械、可拉伸電子產(chǎn)品和軟體機器人等廣泛應用。

相關研究以題為“Hybrid epoxy–acrylate resins for wavelength-selective multimaterial 3D printing”的論文發(fā)表在《自然材料》雜志上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02249-z

德克薩斯大學奧斯汀分�；瘜W助理教授、論文的通訊作者扎克·佩奇說道：“真正激勵我和我的研究團隊的是研究自然界的材料。大自然以一種有機的方式實現(xiàn)了這一點，將硬質(zhì)和軟質(zhì)材料結(jié)合在一起，而不會在界面處發(fā)生破壞。我們想要復制這種現(xiàn)象�！�

項目得到了美國國防部、國家科學基金會和羅伯特·A·韋爾奇基金會的支持，并獲得了美國能源部和科學促進研究公司的額外基礎資金。

雙光 3D 打印：工作原理

新的光固化工藝涉及一種定制配方的液態(tài)樹脂和一套雙光系統(tǒng)。當暴露在紫光下時，樹脂會固化成柔軟的橡膠狀材料。在紫外光 (UV) 下，它會硬化成硬質(zhì)塑料。這使得同一打印物體的不同區(qū)域能夠展現(xiàn)出截然不同的機械性能，同時保持結(jié)構(gòu)連接。

佩奇說：“我們構(gòu)建了一個同時具有兩種反應基團的分子，這樣我們的兩種凝固反應就可以在界面處‘相互交流’�！斑@使得軟硬部分之間的連接更加牢固，如果我們愿意，還可以實現(xiàn)漸進式過渡�！�

△混合材質(zhì)物體。圖片來自德克薩斯大學奧斯汀分校。

功能演示

為了測試新方法，研究團隊打印了一個小型的、功能齊全的人體膝關節(jié)模型，包含了剛性和柔性部件，它們可以一起移動而無需分離。他們還制作了一個可拉伸電子電路的原型，電路由一根安裝在條帶上的金線組成，金線條帶可以在某些區(qū)域彎曲和拉伸，而在其他區(qū)域保持剛性以保護電路。

佩奇說道：“說實話，最讓我驚訝的是它第一次嘗試就表現(xiàn)出色。這在3D打印樹脂中幾乎從未發(fā)生過。我們也對它們性能的差異感到震驚。柔軟的部分像橡皮筋一樣拉伸，然后反彈。而堅硬的部分則像消費品中使用的塑料一樣堅固�！�

這套裝置設計相對簡單、快速且成本低廉，有望在學術研究、醫(yī)療原型設計和其他領域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應用。佩奇說道：“它可以用于制作手術模型、可穿戴傳感器甚至軟體機器人的原型，這方面潛力巨大�！�

基于光的3D打印策略

德克薩斯大學奧斯汀分校的技術是利用基于光的策略來增強材料控制并提高增材制造打印精度的一個例子。例如，麻省理工學院的研究人員最近開發(fā)了一種3D打印方法，使用了一種新型光敏樹脂：能夠根據(jù)所照射的光線類型形成耐用的結(jié)構(gòu)和可溶解的支撐物。紫外線 (UV) 會使樹脂硬化成堅固的永久形狀，而可見光則會產(chǎn)生較弱的支撐物，可溶解于特定溶劑中。這種新方法無需切割或銼削等手動后處理，從而加快了生產(chǎn)速度并最大限度地減少了浪費。

△可溶解的支持物。圖片來自麻省理工學院。

2020年，德克薩斯大學奧斯汀分校的一個研究團隊開發(fā)了一種光聚合物樹脂，旨在加速可見光的高分辨率固化。這種全色材料可在四種波長（紫色、藍色、綠色和紅色）下固化，由單體、光氧化還原催化劑、兩種共引發(fā)劑和遮光劑組成。研究人員指出，這種樹脂可以與包括生物化合物在內(nèi)的各種添加劑結(jié)合使用，從而應用于組織工程和醫(yī)療器械制造。