技術突破：利用光照讓3D列印產品實現再次生長

3D列印技術是將聚合物按照精確設定的模型，一層一層沉積來實現快速製造物體的。一旦列印結束，這些聚合物即宣布「死亡」——也就是說，它們不能被再次延伸以形成新的聚合物鏈。

最近，來自麻省理工學院的化學家們開發出了一種技術，允許人們對已列印好的材料二次加工，為其接上新的聚合物，從而改變材料的化學組成和機械性能。研究人員還可以將兩個或更多列印材料融合在一起，形成更複雜的結構。

麻省理工學院化學系的副教授耶利米?約翰遜（Jeremiah Johnson）說：「這一概念就是，你可以先列印一種材料，然後利用光照使其變形成其他東西，或是讓其繼續生長。」

作為資深作者約翰遜在1月13日出版的《美國化學學會核心科學》上發表了一篇論文，稱這項技術可以極大地擴展3D列印材料的複雜性。該論文的主要作者是前麻省理工學院博士後陳茂（音譯，Mao Chen）和研究生顧玉偉（音譯，Yuwei Gu）。

活性聚合技術

3D列印（也稱為增材製造）的最常用技術之一是立體光刻。立體光刻裝置利用光照射單體的液體溶液、塑料及其他材質的構件，從而形成固態聚合物層，直至生成最終的形狀。

幾年前，約翰遜和他的同事已開始著手利用被稱為「活性聚合」的技術來製造可修改的3D列印結構體，這一技術允許列印材料隨意停止生長，過後再重新開始。

2013年，研究人員證實他們可以使用一種由紫外光激發的聚合反應，為3D列印材料增加新的功能。即材料列印好後，用紫外光進行照射，使某些點上的聚合物鏈發生斷裂，產生稱為自由基的非常活潑的分子。自由基如同一種分子粘合劑，溶液里的單體在這種活潑粒子的作用下又結合到原來已列印好的材料上。

「這項技術的優點是——當你打開燈，聚合物分子鏈就增長，關掉燈，它們就停止」，約翰遜說，「原則上，你可以無限重複以上過程，這樣列印材料就會連續不斷地生長」。

然而，這種方法被證明對材料的破壞性太大，且過程難以控制，因為自由基的反應活性實在太強。

新功能

經過不懈努力，研究人員又設計出新的聚合物，雖然同樣是用光照來活化，但作用方式稍有不同。

每一個聚合物包含有像手風琴一樣摺疊起來的化學基團，這些化學基團（TTCs）可以被有機催化劑活化，而有機催化劑只有在光照下才發揮作用。當催化劑被發光二極體發出的藍光照射後，它們將新的單體附著到TTCs上，使其伸展開來。由於這些單體均勻地結合在整個結構中，所以它們賦予材料新的性能。

「這就是本論文的創新點——我們真的擁有了一種真正可行的方法，可以按我們想要的方式製造宏觀材料並能控制它的生長」，約翰遜說。

研究人員在《美國化學學會核心科學》上刊發的論文中表示，他們能用結合單體的方法改變材料的機械性能（例如剛度）及其化學性質，包括疏水/親水性。甚至可以通過加入某種類型的單體使材料實現隨溫度變化而伸縮或膨脹。

研究人員還使用這種方法成功將兩個構件融合在一起，通過在它們彼此接觸的區域進行光照。

新南威爾士大學化學工程專業的副教授西里爾?波伊爾（Cyrille Boyer），雖沒有參與這項研究，但他這樣描述這一研究成果：這是非常振奮人心的一篇論文，利用可見光和光致氧化還原催化劑來製造可生長、可複製的「活性」凝膠。通過融合高分子科學和材料科學這兩大領域，約翰遜和他的同事們設計出全新的熱敏性凝膠，並克服了目前凝膠製備中存在的局限性。

目前該技術尚存的一個缺陷是，有機催化劑需要無氧環境。據報道，研究人員現在正在測試一些其他類型的催化劑，可以催化類似的聚合反應，且能在氧氣存在下使用。