研究人员使用专门设计的3D可打印墨水模仿天然材料

从研究者技术洛桑瑞士联邦理工学院（EPFL）已经开发出一种新颖的三维印刷方法来制造该具有类似的性质的那些天然存在的材料，例如软骨和皮肤的强和柔软的复合聚合物。

许多柔软的天然组织显示出机械性能，到目前为止，这些机械性能尚不能在人造替代品中复制。为了解决这个问题，EPFL科学家推出了一种经过特殊设计的新型墨水，可以将其3D打印到坚固的双网状颗粒水凝胶（DNGH）中。

根据该团队的说法，这一进展为适应性，坚固和坚韧的水凝胶的设计开辟了新的可能性，其在软机器人，废水处理膜甚至软骨假体植入物中的潜在应用。

该论文的主要作者，EPFL软材料实验室的助理教授Esther Amstad表示：“距离能够控制这么多不同规模的合成材料的结构还有很长的路要走。” “本质上，基本构件被封装在隔间中，然后以高度本地化的方式释放。此过程可更好地控制材料的精细结构和局部组成。

“我们采取了类似的方法，将我们自己的构建块安排到隔间中，然后将它们组装成上部结构。”

3D打印水凝胶

该研究所的另一个研究小组最近开发了一种能够植入人体皮肤后能够进行活检和药物递送的机械微型设备，这使得3D打印水凝胶领域近来引起了EPFL的极大兴趣。植入物由水凝胶制成的3D纳米打印泵提供动力，该泵具有与人体皮肤相同的硬度，可以通过超声波远程驱动。

在其他地方，来自四川大学 和 厦门大学的 研究人员开发了3D打印的自粘绷带，该绷带能够输送神经愈合药物，该绷带由两个单击激活的水凝胶层组成，而西班牙领导的研究团队3D打印的水凝胶可以加速癌症患者中T细胞的产生。

杜克大学的研究人员此前曾探索3D可打印的水凝胶材料来制造用于半月板损伤的逼真的膝关节植入物，但EPFL并不是第一个研究逼真的3D打印技术（例如皮肤和软骨）的人。

水凝胶3D打印的半月板植入物。

复制天然材料

尽管在力学上有显着改进，但与许多天然同类产品相比，人造水凝胶通常无法适应外界刺激而适应其性能。通常，合成水凝胶可分为两大类，第一类包括坚硬，承重但吸收能量差的材料，例如窗户玻璃。第二组中的材料更能抵抗开裂，但非常柔软，不能承受重负荷。

然而，某些由生物材料和蛋白质组合而成的天然复合材料既坚固又耐裂，这是EPFL研究人员希望通过其3D打印DNGH实现的性能组合。

为了生产这种墨水，研究人员在装有单体的溶液中将基于聚电解质的微凝胶溶胀，其中单体结合在一起形成聚合物网络。然后将这些微粒浸入另一种类型的单体（丙烯酰胺）中，制成糊状物。此两步过程将微凝胶的制造及其退火分开，以便将堵塞的颗粒溶液的可注射性和可印刷性优势与DN水凝胶的理想机械性能相结合。

在使用真空过滤将水凝胶堵塞在一起之后，科学家通过3D将糊状物通过410 µm直径的喷嘴进行打印，然后将其暴露于紫外线辐射下，从而使第二阶段添加的单体聚合并与该过程中较早形成的那些相互缠绕。此过程使糊状物硬化，产生坚固，耐磨的材料。

DNGH的3D打印和测试。

进行测试

为了评估其材料的坚固性，研究人员进行了断裂强度测试和压缩测量。3mm的管子能够承受高达10kg的拉伸载荷和高达80kg的压缩载荷，而不会损害材料的结构完整性。还通过一系列拉伸试验探索了该材料的弹性，该试验表明微凝胶的最佳交联密度应保持在3.5 mol％。

科学家进一步声称，他们的墨水克服了3D打印材料中顺序沉积的各层之间弱附着力的局限性，因为在墨水3D打印之后形成了第二个渗流网络。从理论上讲，这意味着层之间的界面应与印刷平面内的晶界一样牢固。为了验证这一假设，研究人员打印了两条实心的DNGH矩形条，一条矩形的打印方向沿其长度方向，而另一条矩形的打印方向与该方向垂直。与使用常规均质油墨进行3D打印的聚合物相比，打印方向似乎对条纹的机械性能没有明显影响。

DNGH条纹以垂直（顶部）或平行（底部）的长丝方向打印，以显示打印方向对机械性能的影响。

DNGH的潜在应用

研究结果表明，研究人员专门设计的墨水非常适合强韧3D水凝胶的3D打印，而这在过去是很难实现的。通过这种方法制造的构造物的形状保真度和机械稳定性表明，基于微凝胶的油墨具有设计具有复杂几何形状的机械坚固颗粒材料的潜力。

科学家们还展示了通过共印刷具有不同交联密度的微凝胶，可以在制造的DNGH上赋予形状变形特性的潜力。为此，他们用3D打印了花朵，花朵的第一层由交联密度比第二层低的微凝胶组成。在干燥和浸泡阶段，花向相反的方向折叠。这表明研究人员的方法可能具有生产足够坚固，足以承受大量载荷的敏感，灵巧和柔软材料的潜力。

将其与现实世界中的实际应用相关联，使用研究人员的特殊工程墨水打印的DNGHs 3D可以为设计新一代坚固而坚固的软机器人和植入物（例如用于软骨和皮肤）的应用开辟新的可能性。适应外界刺激而适应其特性。

该研究的更多详细信息可以在“高级功能材料”杂志上发表的标题为“强韧双网络颗粒水凝胶的3D打印”的文章中找到。该研究由E. Amstad，A。Charlet和M. Hirsch合着。