东华大学游正伟教授团队：自愈合材料让3D打印各向力学同性自支撑复杂结构像搭积木一样简单

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以智能制造为主导的第四次工业革命正席卷全球，新的制造技术不断涌现，3D打印无疑是其中的佼佼者，由于其优异的按需制造复杂、精细和个性化结构的能力，已经深入影响到各行各业，引起了学术界和产业界的广泛关注。各种3D打印技术中熔融沉积成型（FDM）因其成本低、操作简单、可兼容多种材料的优点而成为最通用和最经济的选择之一。然而，FDM构筑复杂结构时通常需要支撑结构，这大大增加了加工的复杂性和成本。层间粘附性差则极大地影响了打印制品的机械稳定性。此外，由于打印制品的尺寸受到3D打印机尺寸的限制，小型的3D打印机难以制备大型产品。据此，东华大学纤维材料改性国家重点实验室游正伟教授团队提出一个简单而通用的“打印-愈合”策略，基于所设计材料的多重动态网络，有效解决了上述挑战。相关成果近期以“Self-healing materials enable free-standing seamless large-scale 3D printing”发表于中国科学院和国家自然科学基金委共同主办的《中国科学:材料》（Science China Materials）期刊，东华大学材料学院博士生左涵为第一作者，游正伟教授和吴琪琳教授为通讯作者，刘庚鑫研究员为共同作者。

作者在该团队近年关于自愈合聚肟氨酯的工作(Adv. Mater. 2019, 31, 1901402. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901058)基础上，设计了一种具有三重动态键的聚合物材料Cu-DOU-CPU，通过可逆的肟氨酯键(DOU)、Cu(II)-DOU金属配位键和氢键的协同作用，赋予材料良好的室温自愈合性能。在较高温度下，链间动态键的交换反应加速，促使聚合物材料内部的交联网络发生拓扑结构重排，在剪切力的作用下具有良好的可挤出性，并且能够在打印时间范围内快速重构定型。针对复杂结构物体打印时需要支撑的问题，作者受到乐高积木的启发，将复杂立体结构合理拆分为简单结构进行打印，然后利用材料的自愈合性将部件由简到繁进行拼接组装，从而实现复杂立体结构的无支撑3D打印。针对由于逐层堆叠累积的加工方式导致打印制品的层间强度相对较弱的问题，利用肟氨酯键、金属配位键和氢键的动态性在层与层之间引入包括化学键在内的多重连接，来实现3D打印制品层间强度的显著提升，在三维方向上基本实现了力学同性。材料的自愈合性使损坏的打印制品可以自发修复，延长了其使用寿命。此外，作者所设计的聚合物材料原料均为廉价易得的商用化学原料，合成方法简单，易进行大规模制备。

“打印-愈合”策略的通用性强，可适用于其他具有动态网络的自愈合材料，包括自发愈合材料和需要适当外部刺激(如光和磁场)的自愈合材料。鉴于自愈合材料的蓬勃发展，这一策略对于制备具有不同属性的产品来实现一系列新的应用具有重要意义。

该工作获得了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志计划等项目资助。

原文链接：

https://engine.scichina.com/doi/pdf/E23E817506AC48EF878999C11CB32AC0

团队主页：

http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/zy/list.psp

团队简介：

游正伟教授为纤维材料改性国家重点实验室博导，现任东华大学复合材料系主任，中国纺织工程学会柔性电子生物医用纺织材料科研基地主任。长期从事生物医用弹性体、3D打印、及其在组织修复和医用柔性电子领域应用的研究。发表SCI论文70多篇，其中近五年在National Science Review, Nature Communication, Advanced Materials等国际著名期刊（IF>10）发表通讯作者论文17篇。申请中国发明专利40多项，授权16项。成果被国家自然科学基金委员会出版的《Science Foundation in China》期刊、《中国科学报》头版、国家新材料产业发展战略咨询委员会出版的《18年度新材料技术发展蓝皮书》等专题报道。在欧洲材料研究学会年会、中国材料大会等重要学术会议上做主旨和邀请报告40余次。担任国际学术期刊《Smart Materials in Medicine》副主编、《Advanced Fiber Materials》和《中国材料进展》青年编委。

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