近日，美國佐治亞理工學院齊航教授與北京大學方岱寧院士（現工作單位北京理工大學）、中國科學院深圳先進技術研究院納米調控與生物力學研究室丁振副研究員等合作，首次通過一種新型雙固化材料體系與灰度數字光處理相結合的方式，獲得了性能可大幅度調控的3D打印梯度數字材料。該項研究成果以“Grayscale digital light processing 3D printing for highly functionally graded materials”為題發表在Science子刊Science Advances（IF: 11.5）上（Sci. Adv. 2019;5: eaav5790）。
3D 打印作為一種革新性技術，在快速原型制造、生物醫用和組織工程、電子器件、軟體機器人、以及超材料制備等領域獲得了廣泛應用，然而也正面臨著諸多挑戰，特別是當前的一些3D打印技術基本上只能進行單材料打印。自然界及工程中的許多結構是有由性能不同的多材料組成（比如魚鱗和腱骨連接），單材料打印極大地限制了部件在功能和性能上的表現。因而，人們正在積極的進行多材料打印的嘗試，但在打印分辨率、界面結合力、復雜形狀精確成型等方面存在缺陷，對于多材料打印也缺乏有效的力學梯度調控。
為解決上述問題，研究團隊進一步發展了傳統的數字光處理（digital light processing）3D打印技術，在打印材料、打印方式、成型機理等方面都作了重大改進（如圖一所示）。3D打印聚合物的分子鏈上除了光敏部分還包含熱敏鏈段；灰度數字光處理可以精確調控每一個像素聚合物的交聯程度，進而可調控每一個像素材料的熱機械性能；而隨后的熱固化進一步將這種性能差距擴大。最終每一個像素點的材料彈性模量可從約1 MPa到1 GPa范圍內調控，玻璃化轉變溫度也可跨越60oC。該研究進一步展示了灰度數字光處理3D打印梯度材料與結構的一系列應用，包括梯度超材料（圖二）、有序變形形狀記憶材料與4D打印、以及擴散輔助著色與加密等。
圖一：灰度數字光處理3D打印梯度材料。（a）打印樹脂成分和成型原理；(b) 單層曝光（實線）與打印多層曝光（虛線）的反應轉化率沿厚度方向的模型預測值（G0代表最強光，G100代表全暗的最弱光）；（c）凝膠轉換率與灰度值的關系（實驗）；典型的3D打印數字材料的應力應變曲線（d）與楊氏模量（e）；離散（f）與連續梯度灰度（g）材料的彎曲變形（實驗與有限元模擬）。
圖二：灰度數字光處理3D打印梯度超材料的功能性應用。（a）可局部變形的二維柵格結構；（b）負泊松比二維多孔材料；（c，d，e）各向異性的三維柵格結構；（G，J）手術前假肢打印：硬材料模仿骨頭、軟材料模仿肌肉、空心結構模仿血管，不僅可以模仿器官的復雜結構，更能模仿不同組織的軟硬差別。
本研究具有非常高的樹脂兼容性（樹脂種類和粘度范圍廣）和設備成本低等優點，更促進了體素打印、4D打印技術的發展，在手術前原型、仿生梯度材料、聲學帶隙材料、梯度超材料等領域具有廣泛的應用前景。美國佐治亞理工學院匡曉博士和吳江濤博士是該論文的共同第一作者，齊航教授、方岱寧院士和丁振副研究員是該論文的共同通訊作者。該研究工作受到了國家自然科學基金面上項目(11872369)等的資助。
- 南林劉承果教授團隊 Adv. Sci.：用于3D打印的高性能、可循環生物基光敏聚合物 2026-03-28
- 杭師大劉增賀/陳建聞/朱雨田團隊 Nat. Commun.：原子經濟增值回收商用熱固性聚氨酯泡沫至光固化3D打印樹脂 2026-03-20
- 中國海洋大學徐曉峰教授團隊 AFM：吸濕復合材料同軸3D打印 2026-02-26
- 南理工王杰平、易文斌、趙子杰等 Angew：基于離子交換水凝膠的微結構銅增材制造 2024-04-07
- UCLA賀曦敏教授團隊《Adv. Mater.》：基于數字光處理投影光刻的液態金屬印刷技術制備高導電可拉伸柔性電路 2024-01-02
- 佐治亞理工齊航團隊《Nat. Commun.》：單一前驅體灰度光聚合實現多力學特征復合結構的一體化3D打印成型 2023-03-07
