自然界通過多材料復合結構（如剛柔并濟）實現了單一材料無法企及的功能特性。拓撲優化雖能通過單材料晶格設計模擬多材料性能（如DLP兼容方案），但受限于最小結構尺寸約束，難以滿足生物醫療/可穿戴設備對精密硬軟界面的需求。而基于灰度光固化（劑量控制）和多色光固化（光譜控制）的新型3D打印技術，可直接調控材料機械性能，避免幾何變形或界面缺陷的產生。
      多色光固化通過波長選擇性觸發不同化學反應（如丙烯酸酯自由基聚合與環氧陽離子固化），實現材料性能的空間編程。Schwartz團隊利用可見光/UV雙固化體系獲得ΔE=7.5倍，但速度僅0.1mm/min；Schlögl改進樹脂和光源（405/365nm）后速度提升至1.5mm/min，卻因環氧轉化率低（<10%）需后固化，導致材料脆化（εf<50%）和ΔE衰減至100倍。核心瓶頸在于：1）光酸引發劑在DLP波段吸收弱導致固化延遲；2）殘留未反應環氧引發界面應力缺陷。
創新成果
     德克薩斯大學奧斯汀分校Zachariah A. Page團隊使用含有混合丙烯酸酯-環氧單體和紫外線吸收敏化劑的樹脂克服了多色DLP 3D打印中的關鍵挑戰。混合單體可降低溶膠分數同時增加ΔE，敏化劑可提高波長選擇性和環氧聚合速率，從而提高構建速度和多材料分辨率。結果證明，構建速度高達1.5 mm min-1，溶膠分數<2.5 wt%，ΔE約為3,000倍（0.6至1,700 MPa），硬質材料強度（σm）約為69 MPa，εf > 250%，彈性恢復率≥90%，滯后損失<4%（100%應變），在紫外線（360 J cm-2）和高溫（>100 °C）下穩定，機械梯度分辨力約為200 µm。利用雙投影進行多色DLP 3D打印，制造了仿生超材料結構，包括嵌入軟圓柱體中以調節壓縮行為的硬彈簧，以及一個精細的膝關節，該關節具有“骨骼”和“韌帶”，可實現平穩運動。
相關研究成果以“Hybrid epoxy–acrylate resins for wavelength-selective multimaterial 3D printing”為題發表在Nature Materials上。
 

核心創新點
高精度、高強度和高彈性的多材料3D打印技術：開發了一種液體樹脂，用于快速、高分辨率的數字光處理（DLP）3D打印多材料物體，這些物體具有前所未有的強度、彈性和抗老化性組合。

波長選擇性光敏樹脂的創新設計：設計了一種混合環氧-丙烯酸單體（ECA）和一種波長選擇性光敏劑，通過不同波長的光觸發不同的化學反應，實現了對硬材料和軟材料的精確控制和空間分布。

多材料3D打印的高精度力學性能控制：實現了在多材料3D打印中對力學性能的精確控制，包括硬材料和軟材料之間的巨大彈性模量差異（ΔE約3000倍）、硬材料的高強度（σm約69MPa）、軟材料的大變形能力（εf>250%）、高彈性恢復率（≥90%）和低滯后損失（<4%），以及在紫外光和高溫下的穩定性。

多材料3D打印的高分辨率和高保真度：通過優化的多色DLP 3D打印系統，實現了高達1.5mm/min的打印速度和約200微米的高保真度多材料物體打印。該系統使用365nm和405nm的LED投影儀，并通過二色鏡將兩種波長的光組合在一起，能夠在同一層中實現硬材料和軟材料的精確分布，打印出具有復雜結構和功能的物體。

數據概覽
 

成果啟示
    這項研究展示了一種快速、高分辨率、波長選擇性3D打印方法，用于制造具有極端機械差異的多材料結構，從而實現生物啟發模型和可拉伸電子設備。在創建包含高效光系統以選擇性觸發陽離子和自由基聚合的混合環氧丙烯酸酯樹脂時，實現了高保真度（~200微米）多材料物體的快速（高達1.5 mm min-1）打印。這些結構展現出前所未有的組合：ΔE≈3,000  ×，高強度（σm≈69 MPa），可拉伸性（εf >250%），彈性（≥90%的恢復率，<4%的滯后損失）以及在高強度紫外線照射和溫度>100°C下的穩定性。灰度多色投影能夠精確控制軟硬界面處的剛度梯度，模擬從0.2到10 mm的自然過渡。這種精度水平有望推動軟體機器人、密封劑、假肢和可穿戴健康監測器等應用的發展，同時也能改善用于教育和研究的生物模型。但當前工藝的一個關鍵限制是需要大量溶劑清洗以確保材料的長期穩定性。這一挑戰對于將軟材料完全封裝在剛性結構中的設計尤其重要，因為需要新的策略來促進溶膠的去除。未來的工作將探索替代的后處理技術，例如氣相胺開環或水解，以克服這一限制，同時增強材料穩定性并擴展力學之外的功能特性，包括熱、電和光可調性。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02249-z

(責任編輯：admin)

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