德州大學(xué)奧斯汀分校利用多材料3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)功能性膝關(guān)節(jié)模型

2025年8月4日，南極熊獲悉，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員宣布開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新型3D打印技術(shù)，能夠?qū)⒂残圆牧吓c柔性材料無(wú)縫集成于單一打印件中的新方法。該成果有望推動(dòng)生物醫(yī)療植入物、柔性電子器件及軟體機(jī)器人等多個(gè)前沿應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。

△通過(guò)波長(zhǎng)選擇性樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)多材料（硬質(zhì)熱固性材料+可溶熱塑性塑料）的一體化成型示意圖

該項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)及羅伯特·A·韋爾奇基金會(huì)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(duì)兩種光脈沖產(chǎn)生反應(yīng)的特殊液態(tài)樹(shù)脂。紫外線在硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生堅(jiān)硬的塑料狀區(qū)域，而紫光則會(huì)產(chǎn)生彈性的橡膠狀區(qū)域。通過(guò)精確控制光源，研究人員得以在同一打印件中實(shí)現(xiàn)從剛性到柔性的連續(xù)過(guò)渡。

△利用3D打印機(jī)打印一個(gè)功能齊全的膝關(guān)節(jié)微型模型成為可能

3D打印功能性膝關(guān)節(jié)

為確保軟硬材料間的牢固結(jié)合，團(tuán)隊(duì)引入了具有雙重反應(yīng)基團(tuán)的化學(xué)交聯(lián)分子。正如德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校助理教授Zak Page所解釋的那樣：“我們構(gòu)建了一個(gè)同時(shí)具有兩種反應(yīng)基團(tuán)的分子，這樣兩種凝固反應(yīng)就可以在界面處‘相互對(duì)話’。這使得軟硬部分之間的連接更加牢固，并且如果我們?cè)敢�，可以�?shí)現(xiàn)漸進(jìn)式過(guò)渡。”

△化學(xué)交聯(lián)分子可防止接觸點(diǎn)斷裂或結(jié)構(gòu)變?nèi)?/div>
目前，這種新方法已成功應(yīng)用于功能性膝關(guān)節(jié)微型模型的打印測(cè)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(yàn)證了這項(xiàng)技術(shù)在生物力學(xué)植入物領(lǐng)域的巨大潛力。此外，團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)出可拉伸電子帶，實(shí)現(xiàn)了在不同硬度區(qū)域內(nèi)金屬導(dǎo)體的可靠延展性，為柔性電子產(chǎn)品帶來(lái)新突破。

△相關(guān)論文已發(fā)表在《ACS Central Science》起來(lái)，研究題目為“多色數(shù)字光處理3D打印為獨(dú)立式和非組裝結(jié)構(gòu)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(yùn)行速度更快，效果也更好。此外，打印機(jī)設(shè)置易于復(fù)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(xiàng)技術(shù)。Page實(shí)驗(yàn)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(chǎn)中更具競(jìng)爭(zhēng)力。同樣重要的是，它開(kāi)辟了新的設(shè)計(jì)可能性，”

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)新技術(shù)以高精度、可擴(kuò)展性及成本效益，為3D打印行業(yè)帶來(lái)全新發(fā)展機(jī)遇。未來(lái)，它很有可能在醫(yī)療植入物、可穿戴電子與軟體機(jī)器人組件等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。