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  過去的數(shù)十年中，增材制造技術(shù)的進步為傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了變革，在外科手術(shù)，航空航天，汽車零件的生產(chǎn)中，扮演著舉足輕重的角色。在科學(xué)研究中，增材制造也成為了強有力的研究工具。在眾多的增材制造技術(shù)中，DLP，SLA，DIW通常被用于軟材料的3D打印。相比而言，DLP和SLA都具有10um的打印精度，但只適用于可光聚合的油墨；DIW打印盡管打印精度較低，但能應(yīng)用于多種不同油墨的打印，并且在多材料打印上相對于光固化打印具有獨特的優(yōu)勢。

  在DIW（Direct-ink-write，墨水直寫）打印中最令人苦惱的事情是調(diào)節(jié)材料的流變學(xué)行為。材料從噴嘴中擠出的過程主要受到切應(yīng)力的作用，DIW打印要求材料能夠較容易地從容器中擠出，并且能夠在基板上維持形狀。這對打印材料提出了一個特殊要求：剪切變稀。為了達到剪切變稀的效果，通常需要在材料內(nèi)添加其他的添加劑。水凝膠的打印就是一個很好的例子，在當(dāng)前的工作中，為了實現(xiàn)水凝膠的DIW打印，通常需要添加如納米粘土等增稠劑，而增稠劑往往會損害成型后的材料的性能。在目前的DIW打印技術(shù)中，人們普遍注重油墨的性能，而忽略了基材的作用，特別是油墨與基材之間的相關(guān)作用。

  在本工作中，他們以水凝膠的DIW打印為例，介紹了一種通過調(diào)控油墨和基底之間的相互作用來實現(xiàn)與低粘度油墨兼容的DIW打印技術(shù)。他們先在基底上引入具有不同表面能的區(qū)域，然后擠出具有一定表面能的稀油墨，油墨可以自發(fā)地濕潤并駐留在表面能較高的區(qū)域內(nèi)，并保持形狀。他們設(shè)計并搭建了一個3D打印系統(tǒng)，印刷裝置和原理如圖1所示。打印系統(tǒng)由精密定位系統(tǒng)、擠出油墨系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和等離子發(fā)生器組成�？刂葡到y(tǒng)控制沉積噴嘴的運動速度、XYZ方向的位置以及墨水?dāng)D出速率。打印前，基板表面含有基團X。等離子體噴頭產(chǎn)生氧氣等離子體轟擊基板，使得轟擊區(qū)域（藍色）比其他區(qū)域具有更高的表面能，并且具有親水基團（如羥基）。隨后擠出水凝膠前驅(qū)液。水凝膠前驅(qū)液（紅色）不含任何增稠劑，會自發(fā)潤濕并駐留在表面能較高的區(qū)域內(nèi)。最后用紫外光進行固化。

圖1.（A）打印系統(tǒng)的示意圖和打印過程的示意圖。（B）打印系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的爆炸圖。（C）打印系統(tǒng)圖片。

  為了揭示表面能對潤濕行為的影響，研究人員選取并制備了聚丙烯酰胺水凝膠前驅(qū)液作為打印墨水。在具有不同表面能形態(tài)的PDMS彈性體上打印，可以觀察到明顯不同的潤濕行為（圖2A）。

圖2. 打印性能與參數(shù)優(yōu)化

  研究人員繼續(xù)研究了不同打印參數(shù)的影響，包括等離子體噴頭的運動速度和功率、氧氣的壓力、等離子噴頭尖端與PDMS彈性體表面的距離等。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，打印完成后的水凝膠在彈性體表面能夠有效的粘接。此外，所開發(fā)的打印系統(tǒng)可以兼容粘度跨越5個數(shù)量級的墨水。

  本文提出的打印方法可以應(yīng)用于多種墨水，包含常見的多種水凝膠。這種打印方法與傳統(tǒng)DIW打印每換一種材料就要重新調(diào)節(jié)流變性不同，這種打印方法在更換材料時，無需重新調(diào)流變性。研究中測試了PAAm水凝膠在多種基底上和多種水凝膠在PDMS表面上的打印性及其粘接性能。

圖3.（A）多種可打印的常見水凝膠。（B）不同水凝膠在PDMS表面的剝離曲線。（C）多種可打印的基底（D）AAm水凝膠在不同基底表面的剝離測試。

  最后，研究人員通過控制打印時的參數(shù)，得到了相同截面積不同形狀的導(dǎo)電水凝膠，和相同寬度但不同截面積的導(dǎo)電水凝膠。此時，水凝膠離子導(dǎo)線的導(dǎo)電性能與它的形狀無關(guān)，只和截面有關(guān)。制作了基于離子導(dǎo)體的薄膜電致發(fā)光器件。這種發(fā)光器件，能夠在發(fā)生變形時，仍然發(fā)光。制作了柔性大變形離電傳感器。通過原位打印的方式，在軟體肌肉的背面打印了導(dǎo)電水凝膠作為傳感器，用于監(jiān)測氣動軟體肌肉的變形，如圖4所示。

圖4. 基于稀溶液的水凝膠DIW打印潛在應(yīng)用展示

  綜上所述，本工作報道了一種通過調(diào)控油墨與基體之間的相互作用，從而使得稀油墨也能夠用于DIW打印的方法；搭建了一套等離子體輔助的打印系統(tǒng)，并展示了基于稀溶液的水凝膠DIW打印；在不改變打印系統(tǒng)的前提下，可打印粘度在5個數(shù)量級范圍內(nèi)的油墨。該方法拓寬了DIW打印的應(yīng)用范圍。

  更多詳細信息請參考原文及支撐材料。

  這一研究工作最近發(fā)表在Cell子刊iScience上。論文第一作者是南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系碩士研究生李嘯天，合作作者包括南方科技大學(xué)力學(xué)與航空航天工程系博士研究生張平、李奇和王慧如，通訊作者是楊燦輝助理教授。

  論文信息與鏈接

  Xiaotian Li, Ping Zhang, Qi Li, Huiru Wang, and Canhui Yang*, Direct-ink-write printing of hydrogels using dilute inks, iScience, 2021.

  DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102319

  論文鏈接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)00287-X

  南方科技大學(xué)軟體力學(xué)實驗室長期招收推免直博生，碩、博士研究生，研究助理和博士后等；研究方向包括軟材料力學(xué)，水凝膠器件，新型軟材料設(shè)計與加工，3D打印等。歡迎對相關(guān)研究方向感興趣的同學(xué)/博士/學(xué)者郵件聯(lián)系：yangch@sustech.edu.cn。請在郵件中做必要的自我介紹。