浙江大学Nature-高性能3D打印弹性体的最新设计方法

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一、写在文前

三维（3D）打印技术因其在制造复杂定制产品方面的卓越自由度而备受关注。然而，其在大规模生产中面临的制造效率低和产品质量不足等问题限制了其进一步应用。特别是，传统的光固化3D打印技术由于快速凝胶化要求，通常采用含有多功能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的光敏树脂，这限制了材料分子设计的自由度，导致打印出的聚合物机械性能远低于传统加工技术可实现的水平。

为了克服这一挑战，浙江大学谢涛教授、吴晶军研究员团队在“Nature”期刊上发表了题为“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness”的最新论文。他们提出了使用动态共价化学的方法。他们设计了一种新型的二甲基丙烯酸二酯DLP前体，其中包含动态阻碍尿素和两个侧链羧基，通过三步合成获得。这种前体通过动态共价键允许网络拓扑重构，促进了分级氢键、微相分离和相互渗透结构的形成，从而显著提高了打印弹性体的机械性能。

研究结果表明，新材料的拉伸强度达到94.6 MPa，韧性达到310.4 MJ m-3，远超过现有任何3D打印弹性体。这项工作不仅为克服传统3D打印材料的机械性能限制提供了新思路，也为未来基于光固化3D打印的大规模制造带来了新的发展前景。

二、图文解读

（1）实验首次开发了一种基于动态共价键的三维光固化树脂化学体系，从而成功制备了具有极高拉伸强度和韧性的弹性体。

（2）实验通过化学设计，将动态阻碍尿素和羧基引入二甲基丙烯酸二酯DLP前体主链和侧链，实现了网络拓扑的重配置。这种设计促进了分级氢键形成、微相分离和相互渗透结构的建立，从而显著提升了打印弹性体的机械性能。具体来说：

• 通过三步合成过程，成功制备了具有预期结构的DLP前体。

• 实验证明，新型树脂在光固化后表现出94.6 MPa的高拉伸强度和310.4 MJ m-3的高韧性，远超过现有任何3D打印弹性体。

• 分子级别的动态共价键允许材料在受力后重新排列，减少了残余应力并增强了材料的耐久性和长期稳定性。

图1 | 三维光打印弹性体的化学设计

图2 |  弹性体的力学性能及其强化和增韧机制

图3 |  弹性和机械性能

图4 | DLP打印的强韧弹性体

三、结论展望

本文通过动态共价键化学设计，克服了传统光固化3D打印中分子设计自由度受限的挑战，实现了高性能弹性体的制备。传统光敏树脂通常含有多功能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，其快速固化导致网络结构不均匀和残余应力，从而限制了材料的机械性能。本研究通过引入动态阻碍尿素和侧链羧基，使得打印的聚合物能够在快速凝胶化条件下重新配置网络拓扑。这种设计促进了分级氢键形成、微相分离和相互渗透结构的形成，显著提升了材料的拉伸强度和韧性。

文献信息：Fang, Z., Mu, H., Sun, Z. et al. 3D printable elastomers with exceptional strength and toughness. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07588-6

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