研究人員用3D打印制造出章魚和壁虎圖案

來源：長三角G60激光聯(lián)盟


在海德堡大學的分子工程實驗室里，研究人員用3D激光打印技術制造出微型壁虎和章魚圖案，這項研究會給微型機器人或生物醫(yī)學等領域開辟新的機會。

具有“生命”特性的智能聚合物:由于動態(tài)化學鍵，微尺度的3D結構可以在短短幾個小時內增長8倍并變硬�？潭�:20微米(μ m)。

打印出的微結構是由被稱為智能聚合物的新材料制成的，其尺寸和機械性能可以根據(jù)需要進行高精度調整。這些“逼真的”3D微結構是在“3D物質定制”(3DMM2O)卓越集群的框架下開發(fā)的，該集群由Ruperto Carola和卡爾斯魯厄理工學院(KIT)合作完成。

在這份研究中，研究人員報告了一種產(chǎn)生這種共價適應性微觀結構（CAM）的新途徑，通過在結構制造后的打印后改性來精確調整其機械性能。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員將提供最高3D制造精度的2PLP與通過將烷氧胺功能結合到打印的3D微觀結構中提供共價動態(tài)鍵的簡單油墨系統(tǒng)相結合（下圖a）。利用這種鍵類型的動態(tài)和活態(tài)特性，通過NER使用額外的硝氧化物分子（TEMPO）和NMP使用苯乙烯作為擴展的附加單體來修改3D微縮打印結構（下圖b）。將2PLP技術與烷氧基胺化學相結合，將提供完全適應性的3D微觀結構，除了在分子和微觀尺度上進行精確制造外，還可以為定制應用調整其機械性能。

a）含有共價適應性微觀結構（CAM）的烷氧胺的3D激光打印過程的示意圖;b）通過氮氧化物交換反應（左，CAM-NER）和通過氮氧化物介導的聚合（右，CAM-NMP）對CAM進行打印后改性。

德國海德堡大學有機化學研究所和分子系統(tǒng)工程與先進材料研究所的組長Eva Blasco博士說:“制造機械性能可根據(jù)需求調整的可編程材料在許多應用中都是非常需要的。”這一概念被稱為4D打印。4D打印材料的一個突出例子是形狀記憶聚合物——這種智能材料可以在溫度等外部刺激的作用下，從變形狀態(tài)恢復到原始形狀。

Blasco教授領導的團隊最近介紹了在微尺度下3D打印形狀記憶聚合物的第一個例子。在與生物物理學家Joachim Spatz教授的工作小組合作下，研究人員開發(fā)了一種新的形狀記憶材料，可以在宏觀和微觀尺度上都具有高分辨率的3D打印。生產(chǎn)的結構包括盒子形狀的微建筑，其蓋子在受熱時關閉，然后可以重新打開。Eva Blasco工作小組的博士研究員Christoph Spiegel解釋說:“這些微小的結構在低激活溫度下顯示出不尋常的形狀記憶特性，這對生物應用來說非常有趣�！�

a)油墨(ink)、參考微觀結構(Ref)、CAM和CAM- ner的FTIR光譜。b) CAM與CAM- ner的氮氧化物交換反應示意圖。c) PEG特異性(C2H5O+)信號區(qū)域參考微觀結構(Ref)、CAM和CAM- ner的ToF-SIMS光譜。d) Ref、CAM和CAM- ner在烷氧胺特異性(C3H8NO+)信號區(qū)域的ToF-SIMS光譜。

利用適應性材料，研究人員在后續(xù)研究中成功地生產(chǎn)出了更復雜的3D微結構，如壁虎、章魚，甚至具有“生命”特性的向日葵。這些材料以動態(tài)化學鍵為基礎。海德堡大學的研究人員報告說，烷氧胺特別適合于這一目的。在打印過程結束后，這些動態(tài)鍵使復雜的微觀結構在短短幾個小時內增長了8倍，并在保持形狀的同時變硬。Blasco教授強調說:“傳統(tǒng)油墨不具備這些特性。含有動態(tài)鍵的自適應材料在3D打印領域有著光明的未來�！�

a) CAM和CAM- NMP的FTIR光譜。聚苯乙烯的特征吸收峰突出顯示（紫色虛線）b) CAM和CAM- NMP的FTIR光譜。聚苯乙烯的特征吸收峰被突出顯示（紫色虛線）c)氮氧化物介導CAM- CAM- NMP聚合示意圖;d) C7H7+離子種類的ToF-SIMS光譜。

卡爾斯魯厄理工學院(KIT)的材料科學家也參與了具有“生命”特性的適應性材料的研究。德國研究基金會和卡爾蔡司基金會資助了這項工作，該工作是在3DMM2O卓越集群的框架內進行的。研究結果發(fā)表在《Advanced Functional Materials》雜志上的兩篇論文中。

來源：Covalent Adaptable Microstructures via Combining Two-Photon Laser Printing and Alkoxyamine Chemistry: Toward Living 3D Microstructures, Advanced Functional Materials, 10.1002/adfm.202207826