德州大學奧斯汀分校利用多材料3D打印技術開發(fā)功能性膝關節(jié)模型

2025年8月4日，南極熊獲悉，德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員宣布開發(fā)出一種創(chuàng)新型3D打印技術，能夠將硬性材料與柔性材料無縫集成于單一打印件中的新方法。該成果有望推動生物醫(yī)療植入物、柔性電子器件及軟體機器人等多個前沿應用領域的快速發(fā)展。

△通過波長選擇性樹脂實現多材料（硬質熱固性材料+可溶熱塑性塑料）的一體化成型示意圖

該項目由美國國防部、美國國家科學基金會及羅伯特·A·韋爾奇基金會資助。這種新的3D打印方法不使用傳統(tǒng)的線材，而是一種對兩種光脈沖產生反應的特殊液態(tài)樹脂。紫外線在硬化過程中會產生堅硬的塑料狀區(qū)域，而紫光則會產生彈性的橡膠狀區(qū)域。通過精確控制光源，研究人員得以在同一打印件中實現從剛性到柔性的連續(xù)過渡。

△利用3D打印機打印一個功能齊全的膝關節(jié)微型模型成為可能

3D打印功能性膝關節(jié)

為確保軟硬材料間的牢固結合，團隊引入了具有雙重反應基團的化學交聯分子。正如德克薩斯大學奧斯汀分校助理教授Zak Page所解釋的那樣：“我們構建了一個同時具有兩種反應基團的分子，這樣兩種凝固反應就可以在界面處‘相互對話’。這使得軟硬部分之間的連接更加牢固，并且如果我們愿意，可以實現漸進式過渡�！�

△化學交聯分子可防止接觸點斷裂或結構變弱

目前，這種新方法已成功應用于功能性膝關節(jié)微型模型的打印測試。模型中的“人工骨骼”區(qū)域具備高穩(wěn)定性，而“韌帶”區(qū)域則保持高度柔韌性，充分驗證了這項技術在生物力學植入物領域的巨大潛力。此外，團隊還開發(fā)出可拉伸電子帶，實現了在不同硬度區(qū)域內金屬導體的可靠延展性，為柔性電子產品帶來新突破。

△相關論文已發(fā)表在《ACS Central Science》起來，研究題目為“多色數字光處理3D打印為獨立式和非組裝結構提供可溶解支撐”

研究人員表示，這種新型方法比以往的方法運行速度更快，效果也更好。此外，打印機設置易于復制且成本低廉，這使得研究人員、醫(yī)院和教師能夠輕松掌握這項技術。Page實驗室的博士生Keldy Mason解釋道：“與注塑成型等傳統(tǒng)工藝相比，這種方法可以使增材制造在大批量生產中更具競爭力。同樣重要的是，它開辟了新的設計可能性，”

總的來說，這項新技術以高精度、可擴展性及成本效益，為3D打印行業(yè)帶來全新發(fā)展機遇。未來，它很有可能在醫(yī)療植入物、可穿戴電子與軟體機器人組件等領域具有廣闊應用前景。