图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

软硅胶是一种具有优异柔韧性、回弹性、绝缘性、生物相容性、化学及热稳定性的高分子材料，广泛用于各类高端密封件、软模具、电子灌封胶、医用器械等的制造，在软体机器人、柔性电子器件和可植入设备等领域具备很大应用潜力。

当前仍面临的问题之一在于，未交联的软硅胶是粘弹性的液体，一般利用浇筑模具的方式进行三维成型加工，但该方法所得产品的空间分辨率和三维结构复杂程度较低，限制了其在微型高端柔性器件方面的应用。

而借助 3D 打印技术，可实现对具有复杂三维结构的微型物体的快速制造。对于软硅胶材料的 3D 打印而言，如何实现粘弹性液态软硅胶的固化成型是其中的关键。

目前，对软硅胶的 3D 打印主要有两种方式：光交联式打印和挤出式打印。前者利用光引发交联的方法实现液态硅胶的快速固化成型，但该方法的成本较高、涉及的光敏基团具有潜在生物危害性，而且很难实现多材料的同步快速制造。

后者设备简单、成本较低，所用的软硅胶基墨水可包容各类功能材料。但受限于前驱体的粘弹性和低模量，高分辨率软硅胶结构的挤出式 3D 打印仍然面临巨大挑战。因此，探索软硅胶材料的新型墨水直写 3D 打印技术意义重大。

可用于柔性器件的个性化快速制造

王义亮所在的团队，隶属于德国卡尔斯鲁厄理工学院诺伯特·威伦巴赫（Norbert Willenbacher）教授领导的机械过程工程与力学研究所，在复杂流体的流变学领域具备较深的基础，并长期从事导电银浆和固-液-液三元毛细作用浆料的研究。

基于该团队的经验王义亮发现，包含多种材料的高空间分辨率软体微结构，对于各类柔性器件和软体机器人至关重要，因此他决定从根本出发，进行软体结构高精度 3D 打印的相关研究。

研究伊始，他调研了多种软质高分子材料，最后选择无需高温熔融和溶剂处理即可实现加工塑形的软硅胶。但是，软硅胶未交联之前是液态的，非常容易流动，任何打印结构都会塌缩。

常见解决方案是添加固体颗粒、以形成支撑网络结构，借此赋予打印墨水剪切变稀的特性，从而让墨水实现在高剪切力下挤出流动和在低剪切力时固化定型。但是，大量固体颗粒的添加会增加软材料的硬度，也使得墨水难以通过小口径的针头，而固体颗粒添加量低时，又不能保证打印结构的稳定。

为此，王义亮利用可相变石蜡颗粒取代墨水中的部分刚性固体颗粒，结合可对针头进行精确控温的新型 3D 打印系统 HOT-DIW（high-operating-temperature-direct ink writing），实现了对墨水流变行为的快速调控、以及高分辨率软体结构的 3D 打印。

具体而言，当墨水通过高温打印头时，石蜡发生固-液相变会导致模量和屈服强度下降，这让墨水更容易流动和挤出；打印完成后，在较低的室温环境中，石蜡发生液-固相变，墨水的流变性能得到恢复，从而可确保高分辨率打印结构的稳定。

研究中，他设计了大量微小三维模型，以验证技术的可靠性。结果发现，打印出来的软硅胶结构与设计一致，上下层次分明、悬空纤维跨度高。

图 | 高分辨率 3D 打印软硅胶结构及其表面功能化（来源：Advanced Materials）

借助该技术，即可灵活调控柔性器件的三维结构和性能。例如，打印制备的软硅胶网格在经过碳纳米管导电处理后，可用于制备柔性压力传感器、以及透气超疏水仿生器件，通过控制网格的结构参数即可实现对器件性能的调控。