新南威爾士大學(xué)的研究人員將3D打印與光控過程相結(jié)合，以創(chuàng)建一種“活性” 4D樹脂。

由于新南威爾士大學(xué)悉尼分校和奧克蘭大學(xué)之間的研究合作的開創(chuàng)性工作，塑料的修復(fù)和再利用以及更有效地輸送抗癌藥物只是新的3D/4D打印技術(shù)眾多潛在應(yīng)用中的兩個(gè)。

研究人員日前發(fā)表在《Angewandte Chemie（國(guó)際版）》上的一篇論文中揭示了3D/4D打印和光控/活性聚合（一種化學(xué)方法，可以制造聚合物）成功融合的過程。

4D打印是3D打印的子集，4D打印對(duì)象可以響應(yīng)某些條件來改變其形狀。

研究人員使用可見光創(chuàng)建一種環(huán)保的“活”塑料或聚合物，這種新的受控聚合方法為先進(jìn)的固體材料制造開辟了新的可能性。

聚合物可以是合成的（例如塑料），也可以是生物的（例如DNA）。

該研究基于UNSW Sydney Boyer實(shí)驗(yàn)室在2014年發(fā)現(xiàn)的PET-RAFT聚合（光誘導(dǎo)電子/能量轉(zhuǎn)移-可逆加成碎片鏈轉(zhuǎn)移聚合）技術(shù)，這是一種使用可見光通過可逆加成碎片鏈轉(zhuǎn)移（ CSIRO（Graeme Moad，San Thang和Enzo Rizzard）發(fā)現(xiàn)了RAFT）聚合技術(shù)。

這類聚合物可以重新激活以進(jìn)一步生長(zhǎng)，這與傳統(tǒng)的聚合物在制成后會(huì)“死”有所區(qū)別。

自這一發(fā)展以來，該技術(shù)得到了擴(kuò)展，并已證明可用于制造許多應(yīng)用中的受控分子，包括藥物輸送和其他生物材料。

世界首創(chuàng)

主要作者西里爾·博耶（Cyrille Boyer）表示，團(tuán)隊(duì)的最新突破是全球首創(chuàng)使用PET-RAFT聚合技術(shù)的新型3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)使3D打印材料在打印后可以輕松進(jìn)行修改。

“受控聚合從未在3D和4D打印中使用，因?yàn)閷?duì)于3D/4D打印，典型的受控聚合過程的速度太慢，而對(duì)于實(shí)際的打印速度來說，其反應(yīng)速度必須很快?！?博耶教授說，經(jīng)過兩年的研究和數(shù)百次實(shí)驗(yàn)，我們開發(fā)了與3D打印兼容的快速工藝。

“與傳統(tǒng)的3D打印相比，我們使用可見光的新方法使我們能夠控制聚合物的結(jié)構(gòu)，并調(diào)整通過我們的工藝制備的材料的機(jī)械性能。這種新工藝還使我們能夠使用4D打印，并可以對(duì)材料進(jìn)行轉(zhuǎn)換或功能化，這是以前不可能做到的?！?/span>

新南威爾士大學(xué)的Nathaniel Corrigan是與新南威爾士大學(xué)博士候選人張志恒合著的第一作者，他說，他們的新系統(tǒng)的一個(gè)額外優(yōu)勢(shì)是能夠精確控制3D打印材料中的所有分子。他說：“4D打印是3D打印的子集。但是通過4D打印，3D打印的對(duì)象可以改變其形狀、化學(xué)或物理特性并適應(yīng)其環(huán)境。” 

“在我們的工作中，將3D打印的材料暴露于水然后干燥，可以可逆地改變其形狀。

“例如，3D對(duì)象從平面開始，當(dāng)暴露于某些條件下時(shí)，它將開始折疊——這是4D材質(zhì)，因此，第四個(gè)維度是時(shí)間?！?/span>

從減少浪費(fèi)到生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

新南威爾士大學(xué)的新研究可能有一天可以終結(jié)填埋的塑料。

研究人員希望，他們使用PET-RAFT聚合技術(shù)進(jìn)行的3D/4D打印新工藝推動(dòng)功能材料的生產(chǎn)，以解決當(dāng)今社會(huì)面臨的許多問題。

博耶教授說，這種新方法可用于日常用品，尤其是當(dāng)變形或破裂的物體需要維修或修改時(shí)。

他說：“主要用途當(dāng)然是循環(huán)再造，因?yàn)樗皇且淮涡运芰现破?，而是可以修?fù)和再利用的?！?/span>

“對(duì)于普通的回收利用，您需要帶走這些材料并進(jìn)行重建，但是對(duì)于新的“活性”材料，它將能夠自我修復(fù)。例如，如果您要將新南威爾士大學(xué)的徽標(biāo)放在杯子上，則可以修改對(duì)象的表面并生長(zhǎng)聚合物以顯示‘新南威爾士大學(xué)’，因?yàn)樵撐矬w不是‘死’的；它是一個(gè)有生命的物體，并且可以繼續(xù)生長(zhǎng)和擴(kuò)展?！?/span>

Corrigan博士說，新工藝的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它與生物醫(yī)學(xué)的兼容性，因?yàn)椴恍枰獦O端條件。

他說：“當(dāng)前的3D打印方法通常受到所需的苛刻條件的限制，例如強(qiáng)紫外線和有毒化學(xué)物質(zhì)，這限制了它們?cè)谥圃焐锊牧戏矫娴膽?yīng)用?！?/span>

“但是，通過將PET-RAFT聚合應(yīng)用于3D打印，我們可以使用可見光而非加熱來生產(chǎn)長(zhǎng)聚合物分子，這是典型的聚合方法。使用高于40度的熱量會(huì)殺死細(xì)胞，但是對(duì)于可見光聚合，我們可以使用室溫，因此細(xì)胞的活力要高得多?！?/span>

博耶教授說，通過這種新工藝制成的物體可以更輕松地用于先進(jìn)的生物應(yīng)用，例如組織工程，組織結(jié)構(gòu)可用于形成新的、可行的醫(yī)療組織。

他說：“我們的新方法針對(duì)微電子和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的小規(guī)模利基應(yīng)用，這對(duì)我們來說是一個(gè)巨大的領(lǐng)域，需要非常先進(jìn)的聚合物?！?/span>

適合所有人的3D和4D打印

博耶教授表示，他們的新技術(shù)將使商業(yè)和非專家操作人員能夠生產(chǎn)出看似無窮無盡的性能和應(yīng)用材料。

他說：“我們希望探索我們的系統(tǒng)，以發(fā)現(xiàn)并解決任何限制因素，以便更好地采用和實(shí)施該技術(shù)?！?/span>

“通過將3D和4D打印與受控聚合相結(jié)合，我們可以做很多事情，制造出用于許多應(yīng)用的先進(jìn)功能材料，造福社會(huì)?！?/span>