研究团队开发新型软材料

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严重或永久损坏时，声带无法替代。现在，弗吉尼亚大学工程学院的一组材料科学家已经开发出一种软材料，并有望在将来进行新的处理。它们的新型柔软材料称为弹性体，具有极强的拉伸性，比常规橡胶柔软10,000倍，与声带的机械性能相匹配。可以对弹性体进行3D打印，以用于医疗保健。

材料科学与工程和化学工程助理教授蔡立恒负责这项研究。蔡还接受生物医学工程方面的任命，并领导UVA的Soft Biomatter Lab。Cai的实验室致力于理解和控制活性软材料(例如响应性聚合物或生物凝胶)与生命系统(例如人体中的细菌或细胞和组织)之间的相互作用。

蔡博士的博士后研究员史丰年和博士。朱金昌的学生是该团队的第一篇论文的共同作者，论文《分子结构导向组装的三维可印刷，极软，可拉伸和可逆的弹性体》已发表，并作为《材料化学》的封面文章成为特色。合作者包括UVA机械与航空工程副教授徐宝兴，他进行了模拟以了解3D打印的极其柔软的结构的变形。

该团队开发了一种新颖的策略来制造这种3D可打印的软弹性体。他们使用了一种新型聚合物，这种特殊聚合物具有类似于洗瓶刷的结构，可用于清洁小型玻璃器皿，但在分子规模上。类似于牙刷的聚合物，当连接形成一个网络时，就可以使非常柔软的材料模仿生物组织。

Cai在哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院担任博士后研究员，开始证明瓶刷聚合物的潜力。蔡的软而“干”橡胶的合作工程发表在《先进材料》上。

现在，蔡和他的团队已经开发出一种新的方法来使用牢固的(但取决于温度却是可逆的)缔合来交联瓶状刷状聚合物以形成橡胶。这个想法是使用化学合成将一种玻璃状聚合物附加到类似牙刷的聚合物的两端。这种玻璃状聚合物自发地自组织形成与塑料水瓶相同的纳米级球体。它们在室温下是刚性的，但在高温下会熔化。可以将其用于3D打印软结构。

在材料可以承受的压力范围内，它们的材料弹性可以从大约100帕斯卡到10,000帕斯卡进行微调。下限约为100帕斯卡，比塑料软100倍，比传统的3D可打印弹性体软10,000倍。此外，它们可以拉伸到600%。

蔡说：“它们极高的柔软性，拉伸性和热稳定性预示着未来的应用。”

Cai赞扬Nian开发了化学合成瓶刷聚合物的化学方法，并精确控制了其结构，从而规定了弹性体的柔软性和可拉伸性。弹性体可用作3D打印机中的墨水，以产生具有橡胶品质的几何形状。

3D打印机本身大约相当于宿舍房间冰箱的大小。Zhu为挤出机系统专门设计了喷嘴，该喷嘴在特定于所需对象的计算机程序的引导下，在3D空间中以规定的量喷射物料。

Nian获得了博士学位。他于2018年从UVA获得化学博士学位，并加入Cai的Soft Biomatter实验室担任博士后。“蔡博士的团队为我提供了一个机会，将我的研究从经典化学扩展到材料开发;我们正在发明许多具有特殊机械，电和光学特性的凉爽材料，” Nian说。

团队的软性材料最酷的一点是，它在每滴液滴沉积时都具有自组织和组装的能力。首次将有机硅基材料装入墨盒时，它具有蜂蜜，一半固体和一半液体的稠度。随着打印的进行，溶剂将各层粘合在一起，然后蒸发以无缝地构建物体。此外，如果您有任何错误，您可以重新做，因为这种材料是100%可再加工和可回收的。

蔡说：“传统的3D可打印弹性体本质上是坚硬的;打印过程通常需要外部机械支撑或后处理。” “在这里，我们证明了弹性体作为直接写入打印3D结构的油墨的适用性。”

为了研究材料分子之间的相互联系方式，蔡的团队与能源部布鲁克海文国家实验室的束线科学家Guillaume Freychet和Mikhail Zhernenkov进行了合作。他们使用国家同步加速器光源II的先进X射线工具(特别是软物质界面光束线)进行了实验，以揭示印刷材料的内部结构而不会损坏样品。

“由于SMI光束线具有高X射线束强度，出色的能量和动量传递可调性以及非常低的背景，因此非常适合此类研究。与Cai的团队合作，我们能够看到类似牙刷的聚合物组装成一个交叉链接的网络。”

Cai估计，该团队需要2到3年才能看到其实际使用的弹性体，而该团队的3D打印方法加快了步伐。3D打印有时被称为增材制造，是UVA材料科学与工程系的研究力量。这个领域的研究人员试图了解增材制造过程的物理原理，因为他们创建了新的材料系统。

改善健康只是他们研究的动力之一。

“我们相信我们的发现将刺激新型软材料作为3D打印油墨的发展，这可以成为各种自适应设备和结构的基础，例如传感器，可伸缩电子设备和软机器人技术，”蔡说。