凝胶做“画板” 更精细自由的3D打印新技术

现在，3D打印早已不是什么新话题，只要在计算机上建好模型，人们就可以用3D打印机在立体的空间里随意“挥毫泼墨”了。但是，这份“随意”依然有一些限制，如果是打印非常纤细复杂的部件，或者使用柔软、脆弱的材料，打印制品都会容易变形

现在，3D打印早已不是什么新话题，只要在计算机上建好模型，人们就可以用3D打印机在立体的空间里随意“挥毫泼墨”了。但是，这份“随意”依然有一些限制，如果是打印非常纤细复杂的部件，或者使用柔软、脆弱的材料，打印制品都会容易变形。

而现在，一组美国研究们为这一问题找到了巧妙的解决方案。只要用上一种生活中也很常见的东西，就能让所有纤细的结构都得到支撑，使3D打印获得真正的“自由”。在演示视频中，研究者就用他们的设备毫不费力地打出了拥有纤细触手的“水母”、俄罗斯套娃等复杂结构，并且丝毫不会走样。

▲一只3D打印水母。原视频来自：Sam Tracey

这种技术的关键在于一种名叫“卡波姆”的凝胶基质。卡波姆是由丙烯酸酯和多元醇聚合形成的一种交联高分子材料，由于其分子链结构中有很多亲水性的羧基（―COOH），因此它可以“锁住”大量水分子，在分子链中间形成水凝胶。如果研究过化妆品的成分表，你可能对卡波姆并不陌生。仅需很低浓度的卡波姆即可起到高效的增稠作用，因此卡波姆凝胶从20世纪90年代起就已经作为日化用品的流变调节剂而被广泛使用了。用卡波姆增稠后的日化用品一方面可以长时间稳定存放，另一方面使用时的触感也更加柔滑。

▲干燥（左）及凝胶状态（右）的卡波姆，在日化产品中也经常能见到它。

在这里，研究者们使用的是颗粒大小只有7微米的卡波姆凝胶微粒。这种水凝胶有种特别的物理性质：它平时可以稳定地保持形状，而只需要施加低强度的剪切力就可以让它表现出良好的流动性。这也就是说，当3D打印的材料留在原地时，凝胶可以为它提供支撑，而当打印所用的针头在凝胶中移动时，它周围的凝胶又会流动起来，不阻碍针头的运动。而且，在针头移走之后，周围的凝胶还会再恢复原状。

▲在凝胶中打印的复杂管道结构。原视频来自：Sam Tracey

有了立体凝胶“画板”的支撑，科学家们只要控制一个细长的针头作为“画笔”，将打印“颜料”注射到合适的位置就可以完成打印了。“画笔”移动的时候，卡波姆凝胶像液体一样让针头在其中滑过，而留下的“笔迹”则会在凝胶中留在原处。

▲为了展示技术的精细，研究者们还打印起了迷你俄罗斯套娃。注意，图上的标尺长度可只有5毫米。原视频来自：Sam Tracey

提供支撑的凝胶基质能与很多材料兼容，硅树脂、凝胶、胶体甚至活细胞的分散液都可以作为“颜料”来进行打印。在经过处理之后，凝胶中的打印品也可以毫发无损地取出。例如，研究者们使用了加入光引发剂的打印材料来制作这些水母，打印制品经过紫外光照射交联之后再经过水洗去，水母们就可以从凝胶介质中解放出来了。

在经过交联处理后，3D打印的小水母就可以毫发无伤地从凝胶中取出。图片来自：T Bhattacharjee, K Schulze, W G Sawyer and T E Angelini, University of Florida

凝胶介质的加入为3D打印技术拓展了更多的可能，它在生物技术、仿生结构等领域都可以找到自己的用武之地。而这种利用寻常材料解决前沿问题的巧妙思路，对工程师们也很有启发性。