兰州化物所3D打印仿生变形水凝胶研究取得进展
【本报讯】（兰州日报社全媒体记者孙理）日前，记者从中科院兰州化物所了解到，该所3D打印仿生变形水凝胶研究取得进展。该所王晓龙研究员团队采用数字光处理3D打印技术，通过构筑不对称微结构实现了基于湿度刺激的水凝胶器件的制备和驱动变形。
含羞草在触碰下的收缩、松果在湿度下的开合以及毛膏菜在激素刺激下的叶片卷曲等，是自然界生物在外部刺激下的既有趣又与其功能息息相关的驱动变形行为。为探索与之相关的仿生变形行为，研究人员发展了多种刺激-响应性材料以及相应器件的构筑方法。近年来，水凝胶以其优异的柔弹性、吸水性，以及响应性单体的兼容性等优点，使其在变形器件上得到了快速发展和广泛应用。
3D打印作为先进制造技术，在器件构筑上具有精确制备、自由设计以及一步成型等优点。因此，通过设计一种可打印的水凝胶材料，利用其湿度响应性，制备3D打印水凝胶驱动变形器件，不仅能充分发挥3D打印在微结构制备方面的优势，而且对于拓展其在变形器件领域的应用具有重要意义。
聚酰亚胺作为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。“嫦娥四号”着陆器及“玉兔二号”巡视器身上的五星红旗就是聚酰亚胺制作的。上世纪60年代，各国都在将聚酰亚胺的研究、开发及利用列入21世纪最有希望的工程塑料之一。但是难熔融、难加工也成为了这种材料制备成可光固化3D打印材料的难点。
2017年，王晓龙研究员团队就发展了可光固化的3D打印聚酰亚胺墨水材料。具体来说就是，把聚酰亚胺这种材料难熔融特性给干掉，主要通过分子结构设计，制备得到聚酰亚胺低聚物，可以在乙醇、甲醇、丙烯酸单体及其它极性溶剂中具有很好的溶解性。但是，王晓龙研究员团队对于已经发展的光固化聚酰亚胺墨水还不满足，认为其性能各方面还是不是最佳，于是他们又研究出直书写3D打印光固化聚酰亚胺墨水。直书写3D打印光固化聚酰亚胺墨水，就是传统制备聚酰亚胺薄膜方法，通过两步成型固化制备3D打印高性能材料。简单来说，就是像挤牙膏、或者做冰淇淋的一样，把材料直接挤出来，然后靠粘性成型。
王晓龙研究员说：“该方法策略不仅适合本研究体系下的聚酰亚胺前驱体制造，而且同样适合其它聚酰亚胺体系，由此能够实现所有通用聚酰亚胺前驱体的增材制造。以后我们还准备实现以聚酰亚胺材料为主体的3D制造工艺装备创新与一站式产业化应用。”
因此，打印制备的复杂结构机械零部件和模型，有望在微电子、仿生材料、人体医疗、航空航天、汽车制造等领域得到发展和应用，为3D打印先进制造技术在高精度、高耐热性、高强度的复杂结构零部件和机构的直接快速成型制造方面提供了新的机遇。相信随着科研人员的继续努力，聚酰亚胺材料的3D打印和应用在不久的将来走向市场。
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