基于數字光處理的3D打印技術通過數字化紫外光輻射引發液態光敏樹脂局部光聚合形成固態三維結構，是制造高精度復雜三維結構的理想技術。利用該技術可對各種光敏水凝膠和高分子材料進行快速三維成型。但是，對于采用基于數字光處理多材料3D打印水凝膠-高分子復合結構而言，如何在打印過程中快速形成水凝膠與高分子材料間的共價鍵合仍然是一個難題。

針對上述問題，南方科技大學機械與能源工程系教授葛锜研究團隊與浙江大學教授曲紹興研究團隊合作在《Science Advances》發表雜志封面文章，通過數字光處理技術實現水凝膠-高分子復合結構的多材料3D打印，用于多功能柔性結構與器件的快速一體化成型。該成果題為“3D printing of highly stretchable hydrogel with diverse UV curable polymers"。

聯合研究團隊合作開發出一種簡單而通用的水凝膠-高分子多材料3D打印方法，可使得高拉伸-高含水量丙烯酰胺水凝膠在數字光處理3D打印過程能與不同光敏樹脂形成強韌的界面結合力。該方法巧妙地利用了改性水溶性光引發劑-2,4,6二苯基氧化膦（TPO）在引發丙烯酰胺水凝膠光聚合反應時的不全性，使其能與包括彈性體、剛性聚合物、ABS類樹脂、形狀記憶高分子在內的不同（甲基）丙烯酸酯類樹脂形成共價界面，因此具有普適性。

如圖1所示，利用葛锜團隊自主開發的數字光處理技術多材料3D打印系統，可實現水凝膠-高分子高精度多材料復雜混合三維結構的快速一體化成型。通過三個應用案例，論文論證所提出的新方法可以極大地豐富水凝膠-高分子結構與器件的設計自由度，并實現其功能和性能的進一步提升。

圖1. 多材料3D打印水凝膠與其他高分子材料的復合三維結構。

如圖2所示，通過多材料3D打印技術可實現水凝膠三維復合材料結構的快速一體化成型。通過剛度增強微結構設計，可將水凝膠復合材料拉伸模量提高約30倍，壓縮模量提高高達700多倍。此外，通過調節微結構局部尺寸，可實現對水凝膠復合材料局部剛度的調控。

圖2. 多材料3D打印水凝膠復合材料三維結構。

如圖3所示，通過多材料3D打印技術制備的具有藥物緩釋功能的水凝膠-形狀記憶高分子（SMP）心血管支架。所采用的形狀記憶高分子材料的玻璃化轉變溫度為30℃，在體溫37℃環境下會自動展開撐開硬化、狹窄的心血管。而在心血管支架上通過3D打印嵌入的水凝膠材料則賦予其藥物緩釋功能。實驗表明，負載藥物的水凝膠在經過2分鐘、30分鐘和1小時后，藥物釋放量分別為3%、16%和30%，在24小時后可釋放。

圖3. 3D打印的具有藥物緩釋功能的形狀記憶心血管支架。

如圖4所示，通過多材料3D打印離子導電水凝膠與光敏彈性體可以直接通過3D打印將應變傳感功能賦予軟體驅動器，實現軟體機器人的驅動-傳感快速一體化成型。

圖4. 3D打印的具有應力傳感功能的軟體驅動器。

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