多材料低温打印3D软凝胶机：3大优势助力打造2类创新软机器

摘要：大家好！今天一起来了解多材料低温打印（MCP）技术——《Multimaterial cryogenic printing of three-dimensional soft hydrogel machines》发表于《nature communications

大家好！今天一起来了解多材料低温打印（MCP）技术——《Multimaterial cryogenic printing of three-dimensional soft hydrogel machines》发表于《nature communications》。以往，水凝胶材料的特性使其在构建三维架构时困难重重，但这项新技术的出现改变了这一局面。它通过独特的低温溶剂相转变策略，成功制造出复杂且高性能的水凝胶结构与软机器，为生物医学电子和软机器人等领域带来了全新的希望与无限可能。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景

在微观制造的世界里，水凝胶基软机器一直是备受瞩目的“潜力股”，在生物医学电子和软机器人等领域都有着让人期待的应用前景。但是呢，现有的制造技术就像遇到了瓶颈，很难构建出多材料三维水凝胶架构，这主要是因为水凝胶材料本身的低密度聚合物网络性质，导致其力学性能弱且不一致。打个比方，就好像用松散的积木搭高楼，很容易倒塌，难以成型。不过呢，科学家们一直在寻找突破的方法，而MCP技术的出现，就像是黑暗中的一道曙光！

二、多材料低温打印技术（MCP）原理

MCP技术的原理就像是一场神奇的“冰与水的魔法秀”！它采用全低温溶剂相转变策略。首先，水瞬间变成冰，快速把水凝胶前体的分子构型给锁定住，就像给它们定了型。通过在直写式（DIW）3D打印系统里加入低温平台，在-30至-10°C的低温下，各种水凝胶墨水能迅速固化成冷冻的3D结构。给大家看看这张，是不是很神奇！

然后呢，冰又变回水，在这个过程中，在融化的冰-水界面引发化学交联反应。科学家们设计了含有交联剂的低冰点浴，构建了低温冰-水混合系统，一般在-5°C进行交联。这就好比给冻住的结构重新注入活力，让它们变得更加稳固。

三、动力学验证与建模

科学家们为了搞清楚MCP技术的动力学过程，用了原位显微镜成像来观察低温打印过程。他们发现，墨水刚挤出来，水一凝固，马上就形成了硬冰壳，这个结晶前沿就像一个小卫士，快速保护着结构。这表面冰结晶行为在0.5秒内就能实现即时固化，对构建无缝接口起到了关键作用。

而且哦，科学家们还开发了一个理论模型，这个模型就像一个智慧小助手，能准确预测打印线宽和层厚等参数。

它的预测和实验测量结果很吻合，平均误差小于1.67%呢！在交联过程中，通过拉曼光谱对戊二醛交联聚乙烯醇的反应进行监测，就像给交联过程拍了个“小视频”，清楚地看到了反应的过程。

四、打印性能展示

MCP技术在打印性能上那可是相当出色！它能实现高分辨率和高纵横比的3D水凝胶结构。通过即时固化，消除了毛细管驱动的不稳定性，最小线宽能达到约42μm，就像用一根超级精细的画笔在微观世界里作画。它可打印的粘度范围很广，从1.09到2332.69 Pa・s，大多数常规DIW技术的墨水都能适用。

不过呢，受低温平台和打印机机械限制，目前最大打印尺寸大约是40mm×40mm×20mm，但这也不影响它的厉害之处！

在多材料打印性能方面，对不同形成机制的水凝胶材料进行打印，就像把不同性格的小伙伴组合在一起。

通过拉伸测试发现，异质水凝胶在同质水凝胶处断裂，而不是在结合处脱粘，这说明它们的结合很牢固。

疲劳和长期循环测试也证实了打印结构内的界面很稳健，而且还能通过调节打印参数和交联动力学来微调机械性能哦！

五、多材料3D水凝胶结构

科学家们用MCP技术设计了一系列超酷的结构！有悬垂的谢尔宾斯基金字塔、薄壁Y形管、空心立方体等典型的独立3D结构元素，还有体素化数字立方体、管内支架、晶格超材料等多功能异质结构。这些结构就像微观世界里的艺术品，不仅外观精美，而且机械性能很强大，能抵抗拉伸、挤压和扭转等变形。通过X射线计算机断层扫描（XCT）对打印的原始晶格结构进行评估，显示出它的高保真空心异质结构，与设计模型高度吻合，就像克隆出来的一样！

六、全打印全水凝胶软机器

6.1 仿生心脏瓣膜

他们制造出了具有瓣叶状态感知的全水凝胶仿生主动脉心脏瓣膜。这个瓣膜的尺寸和青少年天然心脏瓣膜差不多，表面轮廓误差小于6%，最大表面倾斜度为43.7°。在模拟心动周期中，瓣叶能很好地响应跨瓣血流，引起腔室压力变化，就像心脏瓣膜在身体里正常工作一样。电阻响应与瓣叶位移呈良好线性关系，在宽范围的入口流体动力压力下（-11.7至12.8kPa），滞后现象很低（约8.3%），还能承受超过140mmHg的流体压力，真的是太厉害了！