新型樹脂或令“3D列印膝關節”成真

美國得克薩斯大學奧斯丁分校研究人員開發出一種快速、精確的新型3D列印技術，利用一種新型樹脂，在同一物體中無縫融合柔軟與堅硬兩種性能區域。

以上方法通過控制不同顏色的光，觸發不同的化學反應，使材料在列印過程中自然過渡，如同骨骼與軟骨、關節與韌帶的連接結構。這一突破為開發下一代義肢、柔性醫療器械和可拉伸電子產品提供了新路徑。相關成果日前已發表在《自然 · 材料》雜誌上。

該技術靈感源於自然界剛柔並濟的結構，例如堅硬的骨骼被柔韌的軟骨包裹，且整體具備精妙的幾何特性。傳統製造中，柔軟與剛硬材料在介面處往往容易脫離。例如，跑鞋的橡膠鞋底常常會隨着不斷使用，與上方柔軟的網布脫膠分離，這是現實中典型的材料失效現象。

為解決這一問題，研究團隊設計了一種特殊液態樹脂，並配合雙光源列印系統：紫光區域固化為富有彈性的軟質材料，高能紫外光區域則變為堅硬的剛性結構。同時，他們在樹脂中引入一種具有雙重反應基團的分子，使兩種固化機制在材料交界處無縫連接，實現穩定牢固地結合，並可根據需要實現漸變過渡。

研究團隊用該技術列印出一個功能齊全的小型膝關節。該關節由靈活的韌帶和剛硬的骨骼組成，可順暢地協同運動。他們還製造了一個可伸縮電子設備原型，其中一根金線安裝在一條既能彎曲又能拉伸的帶子上，既保持柔軟又避免電路斷裂。

正如得克薩斯大學奧斯丁分校助理教授扎克 · 佩奇所解釋的那樣：“我們引入了一種同時具有兩種反應基團的分子，這樣兩種凝固反應就可以在介面處相互‘對話’。這使得軟硬部分之間的結合力更強，而且如果我們願意，還可以實現漸進式過渡。”

據悉，該研究團隊的新方法比以往的方法運行速度更快，效果也更好。此外，印表機設置易於複製且成本低廉，使研究人員、醫院和教育工作者能夠輕鬆掌握這項技術。“這種方法可以使增材製造在大批量生產方面比注塑成型等傳統方法更具競爭力。同樣重要的是，它開闢了新的設計可能性，它可用於製作手術模型、可穿戴感測器，甚至是軟體機械人原型，前景十分廣闊。

水 登