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  過去的數十年中，增材制造技術的進步為傳統制造業帶來了變革，在外科手術，航空航天，汽車零件的生產中，扮演著舉足輕重的角色。在科學研究中，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勢。

  在DIW（Direct-ink-write，墨水直寫）打印中最令人苦惱的事情是調節材料的流變學行為。材料從噴嘴中擠出的過程主要受到切應力的作用，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，在當前的工作中，為了實現水凝膠的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，介紹了一種通過調控油墨和基底之間的相互作用來實現與低粘度油墨兼容的DIW打印技術。他們先在基底上引入具有不同表面能的區域，然后擠出具有一定表面能的稀油墨，油墨可以自發地濕潤并駐留在表面能較高的區域內，并保持形狀。他們設計并搭建了一個3D打印系統，印刷裝置和原理如圖1所示。打印系統由精密定位系統、擠出油墨系統、控制系統和等離子發生器組成。控制系統控制沉積噴嘴的運動速度、XYZ方向的位置以及墨水擠出速率。打印前，基板表面含有基團X。等離子體噴頭產生氧氣等離子體轟擊基板，使得轟擊區域（藍色）比其他區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液。水凝膠前驅液（紅色）不含任何增稠劑，會自發潤濕并駐留在表面能較高的區域內。最后用紫外光進行固化。

圖1.（A）打印系統的示意圖和打印過程的示意圖。（B）打印系統關鍵模塊的爆炸圖。（C）打印系統圖片。

  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液作為打印墨水。在具有不同表面能形態的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. 打印性能與參數優化

  研究人員繼續研究了不同打印參數的影響，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。經過測試發現，打印完成后的水凝膠在彈性體表面能夠有效的粘接。此外，所開發的打印系統可以兼容粘度跨越5個數量級的墨水。

  本文提出的打印方法可以應用于多種墨水，包含常見的多種水凝膠。這種打印方法與傳統DIW打印每換一種材料就要重新調節流變性不同，這種打印方法在更換材料時，無需重新調流變性。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，得到了相同截面積不同形狀的導電水凝膠，和相同寬度但不同截面積的導電水凝膠。此時，水凝膠離子導線的導電性能與它的形狀無關，只和截面有關。制作了基于離子導體的薄膜電致發光器件。這種發光器件，能夠在發生變形時，仍然發光。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電水凝膠作為傳感器，用于監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打印潛在應用展示

  綜上所述，本工作報道了一種通過調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，并展示了基于稀溶液的水凝膠DIW打印；在不改變打印系統的前提下，可打印粘度在5個數量級范圍內的油墨。該方法拓寬了DIW打印的應用范圍。

  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表在Cell子刊iScience上。論文第一作者是南方科技大學力學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力學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

  南方科技大學軟體力學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，水凝膠器件，新型軟材料設計與加工，3D打印等。歡迎對相關研究方向感興趣的同學/博士/學者郵件聯系：yangch@sustech.edu.cn。請在郵件中做必要的自我介紹。