科研進展

深圳先進院在3D打印功能梯度數字材料研究取得進展

時間:2019-05-20  來源:醫工所 丁振 文本大?。骸?a href="javascript:doZoom(16)">大 |  | 】  【打印

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院納米調控與生物力學研究室丁振副研究員與北京大學方岱寧院士、美國佐治亞理工學院齊航教授等合作,首次通過一種新型雙固化材料體系與灰度數字光處理相結合的方式,獲得了性能可大幅度調控的3D打印梯度數字材料。該項研究成果以“Grayscale digital light processing 3D printing for highly functionally graded materials”為題發表在Science子刊Science AdvancesIF: 11.5)上(Sci. Adv. 2019;5: eaav5790),丁振副研究員為共同通訊作者。

  3D 打印作為一種革新性技術,在快速原型制造、生物醫用和組織工程、電子器件、軟體機器人、以及超材料制備等領域獲得了廣泛應用,然而也正面臨著諸多挑戰,特別是當前的一些3D打印技術基本上只能進行單材料打印。自然界及工程中的許多結構是有由性能不同的多材料組成(比如魚鱗和腱骨連接),單材料打印極大地限制了部件在功能和性能上的表現。因而,人們正在積極的進行多材料打印的嘗試,但在打印分辨率、界面結合力、復雜形狀精確成型等方面存在缺陷,對于多材料打印也缺乏有效的力學梯度調控。

  為解決上述問題,丁振副研究員等進一步發展了傳統的數字光處理(digital light processing3D打印技術,在打印材料、打印方式、成型機理等方面都作了重大改進(如圖一所示)。3D打印聚合物的分子鏈上除了光敏部分還包含熱敏鏈段;灰度數字光處理可以精確調控每一個像素聚合物的交聯程度,進而可調控每一個像素材料的熱機械性能;而隨后的熱固化進一步將這種性能差距擴大。最終每一個像素點的材料彈性模量可從約1 MPa1 GPa范圍內調控,玻璃化轉變溫度也可跨越60oC。該研究進一步展示了灰度數字光處理3D打印梯度材料與結構的一系列應用,包括梯度超材料(圖二)、有序變形形狀記憶材料與4D打印、以及擴散輔助著色與加密等。

  本研究具有非常高的樹脂兼容性(樹脂種類和粘度范圍廣)和設備成本低等優點,更促進了體素打印、4D打印技術的發展,在手術前原型、仿生梯度材料、聲學帶隙材料、梯度超材料等領域具有廣泛的應用前景??鏘┦亢臀飩尾┦渴歉寐畚牡墓餐諞蛔髡?,丁振副研究員、方代寧院士和齊航教授是該論文的共同通訊作者。該研究工作受到了國家自然科學基金面上項目(11872369)等的資助。

  論文鏈接

圖一:灰度數字光處理3D打印梯度材料。(a)打印樹脂成分和成型原理;(b) 單層曝光(實線)與打印多層曝光(虛線)的反應轉化率沿厚度方向的模型預測值(G0代表最強光,G100代表全暗的最弱光);(c)凝膠轉換率與灰度值的關系(實驗);典型的3D打印數字材料的應力應變曲線(d)與楊氏模量(e);離散(f)與連續梯度灰度(g)材料的彎曲變形(實驗與有限元模擬)。 

   

圖二:灰度數字光處理3D打印梯度超材料的功能性應用。(a)可局部變形的二維柵格結構;(b)負泊松比二維多孔材料;(c,d,e)各向異性的三維柵格結構;(G,J)手術前假肢打?。河膊牧夏7鹿峭?、軟材料模仿肌肉、空心結構模仿血管,不僅可以模仿器官的復雜結構,更能模仿不同組織的軟硬差別。