Science：高度缠结3D打印弹性材料CLEAR，水凝胶延展能力提高四到七倍

2024年8月3日，南极熊获悉，科罗拉多大学博尔德分校 (CU Boulder) 和宾夕法尼亚大学的研究小组率先开发出一种3D打印水凝胶材料工艺CLEAR，这种材料既有弹性，又有粘性，而且有回弹性，可用于打印内部绷带以修复受损的心脏组织、软骨补片或无针缝合线。

△一种利用高度缠结的聚合物网络进行3D打印的新方法

根据研究结果，与传统的DLP方法相比，CLEAR打印的水凝胶和弹性体表现出明显更高的延伸能量，提高了四到七倍。科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程学教授Jason Burdick，作为这项研究论文的资深作者，谈到这项研究时表示：“心脏和软骨组织相似，它们的自我修复能力非常有限。一旦受损，就无法挽回。通过开发新的、更有弹性的材料来增强修复过程，我们可以对患者产生重大影响。”

△该研究已发表在《science》杂志上，题目为“高度缠结的聚合物网络的增材制造”（传送门）

弹性创可贴状材料CLEAR

有趣的是，这项的灵感来自一个有点出乎意料的地方：蠕虫。蠕虫的身体可以结合在一起，形成一个既具有固体又具有液体性质的缠绕团块，科学界称之为“蠕虫团”。这一概念通过在3D打印材料中集成相互缠绕的分子链或缠结来实现。

这种弹性创可贴状材料的制作得益于研究团队开发的一种特殊3D打印工艺，称为CLEAR（通过氧化还原引发辅助的光照后连续固化）。该工艺实际上可以控制打印过程中材料分子的纠缠，通过结合使用“明暗聚合”来实现。

研究人员解释说：“这种可推广的方法在室温下即可实现高单体转化率，无需额外的刺激，例如打印后的光线或热量，并且能够通过增材制造高度纠缠的水凝胶和弹性体，与传统的DLP相比，其延伸能量高出四到七倍。”

研究人员已为这项技术申请了临时专利。这种技术不仅能成功打印出比标准DLP机器打印的部件更柔韧、更坚韧的材料，而且还具有粘性，可以粘附在组织上。Burdick实验室的研究员Matt Davidson表示，这种能力尚属首次：“我们现在可以3D打印出强度足以支撑组织的粘合材料。我们以前从未做到这一点。”

△未来将用于医疗方向

研究的下一步将是探索这些3D打印材料与有机组织的相互作用，研究人员希望未来能将他们的创新解决方案应用于治疗心脏缺陷患者，例如通过将药物直接输送到器官或支持组织再生。

这种3D打印工艺的应用还可拓展到其他领域，例如研发和制造。据科罗拉多大学博尔德分校团队称，其他研究团队和工业终端用户对CLEAR工艺表现出浓厚兴趣，因为它不需要额外的能量来固化部件。第一作者Abhishek Dhand解释说：“这是一种简单的3D处理方法，可以在学术实验室和工业中使用，以改善材料的机械性能，适用于各种应用。它解决了3D打印的一个大问题。”