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  近日，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院齊航教授與北京大學(xué)方岱寧院士（現(xiàn)工作單位北京理工大學(xué)）、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院納米調(diào)控與生物力學(xué)研究室丁振副研究員等合作，首次通過一種新型雙固化材料體系與灰度數(shù)字光處理相結(jié)合的方式，獲得了性能可大幅度調(diào)控的3D打印梯度數(shù)字材料。該項(xiàng)研究成果以“Grayscale digital light processing 3D printing for highly functionally graded materials”為題發(fā)表在Science子刊Science Advances（IF: 11.5）上（Sci. Adv. 2019;5: eaav5790）。

  3D 打印作為一種革新性技術(shù)，在快速原型制造、生物醫(yī)用和組織工程、電子器件、軟體機(jī)器人、以及超材料制備等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，然而也正面臨著諸多挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)前的一些3D打印技術(shù)基本上只能進(jìn)行單材料打印。自然界及工程中的許多結(jié)構(gòu)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(xiàn)。因而，人們正在積極的進(jìn)行多材料打印的嘗試，但在打印分辨率、界面結(jié)合力、復(fù)雜形狀精確成型等方面存在缺陷，對(duì)于多材料打印也缺乏有效的力學(xué)梯度調(diào)控。

  為解決上述問題，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了傳統(tǒng)的數(shù)字光處理（digital light processing）3D打印技術(shù)，在打印材料、打印方式、成型機(jī)理等方面都作了重大改進(jìn)（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(shù)字光處理可以精確調(diào)控每一個(gè)像素聚合物的交聯(lián)程度，進(jìn)而可調(diào)控每一個(gè)像素材料的熱機(jī)械性能；而隨后的熱固化進(jìn)一步將這種性能差距擴(kuò)大。最終每一個(gè)像素點(diǎn)的材料彈性模量可從約1 MPa到1 GPa范圍內(nèi)調(diào)控，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也可跨越60oC。該研究進(jìn)一步展示了灰度數(shù)字光處理3D打印梯度材料與結(jié)構(gòu)的一系列應(yīng)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(kuò)散輔助著色與加密等。

圖一：灰度數(shù)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(shí)線）與打印多層曝光（虛線）的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率沿厚度方向的模型預(yù)測(cè)值（G0代表最強(qiáng)光，G100代表全暗的最弱光）；（c）凝膠轉(zhuǎn)換率與灰度值的關(guān)系（實(shí)驗(yàn)）；典型的3D打印數(shù)字材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線（d）與楊氏模量（e）；離散（f）與連續(xù)梯度灰度（g）材料的彎曲變形（實(shí)驗(yàn)與有限元模擬）。

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

  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(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)，更促進(jìn)了體素打印、4D打印技術(shù)的發(fā)展，在手術(shù)前原型、仿生梯度材料、聲學(xué)帶隙材料、梯度超材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院匡曉博士和吳江濤博士是該論文的共同第一作者，齊航教授、方岱寧院士和丁振副研究員是該論文的共同通訊作者。該研究工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(11872369)等的資助。

  論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav5790