AFM長篇綜述：軟物質(zhì)/軟材料的3D打印

來源： EngineeringForLife

與人體組織具有相似性能的軟材料在現(xiàn)代跨學科研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其被廣泛用于生物醫(yī)療中。與傳統(tǒng)加工方法相比，3D打印可實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的快速原型制作和批量定制，非常適合加工軟材料（軟物質(zhì)）。然而，軟材料的3D打印的發(fā)展仍處于早期階段，并且面臨許多挑戰(zhàn)，包括可打印材料有限，打印分辨率和速度低以及打印結(jié)構(gòu)多功能性差等。EFL團隊 (浙江大學賀永教授課題組)多年從事3D打印水凝膠、硅膠等軟材料的研究，近期EFLers梳理和總結(jié)了應對軟材料打印的響應策略，在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為“A Review of 3D Printing Technologies for Soft Polymer Materials”的長篇綜述。

本綜述重點聚焦三點：
1）如何便捷開發(fā)可打印材料？
2）如何選擇合適的方法并提高打印分辨率？
3）如何通過3D打印直接構(gòu)建復雜軟結(jié)構(gòu)/系統(tǒng)？

我們回顧了用于打印軟聚合物材料的主流3D打印技術(shù)，歸納了如何提高打印分辨率和速度，選擇合適的打印技術(shù)，開發(fā)新穎的可打印材料以及打印多種材料。系統(tǒng)總結(jié)了軟材料3D打印在仿生設計、柔性電子、軟機器人和生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用進展。

1. 主流3D打印技術(shù)概述
受到軟材料獨特的理化性質(zhì)限制，當前打印軟材料的主流技術(shù)主要有四種：激光熔融燒結(jié)（SLS）、光固化打�。⊿LA、DLP、CLIP、CAL）、噴墨打�。↖nkjetPrinting、E-jet）、擠出打�。‵DM、DIW、EHDP）等。每種方法都有自己各自的材料要求以及打印特性。本綜述詳細介紹了各打印方法的原理、材料要求、打印速度、打印精度和多材料能力，為選擇合適的打印方法提供了指南。

圖1 3D打印軟材料使用的主流技術(shù)

2.多材料3D打印進展概述
與單一材料的打印相比，多材料3D打印能夠直接構(gòu)造復雜的功能結(jié)構(gòu)，具有更強的可定制性。本綜述將軟材料的多材料3D進展分為兩類：復合材料的3D打印和多種材料的3D打印。前者直接使用復合材料作為打印材料構(gòu)造復雜結(jié)構(gòu)，后者則通過3D打印過程來構(gòu)建多材料結(jié)構(gòu)。

使用多材料3D打印的最終目的是為了構(gòu)建具有強大功能的結(jié)構(gòu)。具體而言，將復合材料運用到3D打印中主要為了：
1）提高材料可打印性；
2）提高材料機械性能；
3）賦予材料新的理化性質(zhì)（如導電性、磁響應性、形狀記憶性等）；
4）利用可犧牲組分構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)。

而對于多種材料的3D打印，則有多種方法來實現(xiàn)多材料的集成，包括：
1）多噴頭/多墨盒打��；
2）同軸打��；
3）埋入式打印。

其目的可以概括為：
1）可犧牲的支撐以構(gòu)建復雜結(jié)構(gòu)；
2）多材料的耦合實現(xiàn)機械增強；
3）不同功能的材料集成以構(gòu)建具有實際功能的結(jié)構(gòu)。

本綜述系統(tǒng)概括了相關(guān)的進展，為如何利用多材料3D打印構(gòu)造具有優(yōu)良性能和強大功能的軟材料系統(tǒng)提供了指導。

圖2 多材料3D打印概述

3.軟材料3D打印的應用
3D打印能夠便捷地集成多種材料，實現(xiàn)快速原型，為多學科交叉領(lǐng)域應用的驗證提供了強大的工具。而軟材料具有和生物體相似的性質(zhì)，在于生物相關(guān)的領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用。本綜述介紹了軟材料3D打印在仿生設計、柔性電子、軟機器人和生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用進展，為軟材料3D打印的應用指明了可能的方向。

圖3 3D打印仿生結(jié)構(gòu)

圖4 3D打印柔性電子

圖5 3D打印軟機器人

圖6 生物3D打印

4.展望
未來，集成多種材料以實現(xiàn)復雜應用將會是大勢所趨，軟材料3D打印的研究重點會在：
1）集成高精度和高速度打印以滿足復雜結(jié)構(gòu)快速原型的需要；
2）開發(fā)高度集成的多材料3D打印技術(shù)來滿足對具有高功能性和復雜多尺度幾何形狀的打印結(jié)構(gòu)的需求；
3）開發(fā)新型的打印材料以豐富打印結(jié)構(gòu)的功能；
4）將仿生學思想融入設計過程中來構(gòu)建超性能結(jié)構(gòu)。

圖7 軟材料3D打印的未來發(fā)展展望

題為“A Review of 3D Printing Technologies for Soft Polymer Materials”的綜述論文已在Advanced Functional Materials 在線刊登。周璐瑜碩士生為第一作者，賀永教授為通訊作者。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202000187