刚性还是弹性？借助3D打印改变属性的塑料材料

南极熊导读：近年来，许多大学研究项目一直在通过增材制造开发多功能材料。例如，在医疗领域，制造能够再生器官或骨骼结构的织物以及设计先进的生物医学设备非常重要。

△普林斯顿大学的研究人员开发一种弹性新材料

2025年1月6日，南极熊获悉，普林斯顿大学的研究人员在工程学领域取得了新的进展，开发出一种基于热塑性弹性体(TPE)的新型3D打印材料，能够实现从柔软到刚性的可调节特性。这项由Alice Fergerson和Emily Davidson领导的研究，不仅扩展了增材制造在医疗和生物医学设备设计中的应用，还为其它行业提供了新的材料选择。

该研究团队选择的TPE是一种嵌段共聚物，它独特的熔融成型和冷却凝固特性，使得工程师能够通过3D打印技术精确控制材料的物理属性。这种材料由分散在弹性基质中的刚性纳米级圆柱体组成，这些圆柱体在材料内部形成一种特殊的结构，从而在保持整体柔韧性的同时，实现局部的刚性。

具体来说，这种材料的刚性圆柱形结构厚度仅为5至7纳米，与人类头发直径的1/18000和DNA螺旋直径相当，这一尺度的精确控制赋予了材料前所未有的性能。通过调整3D打印过程中的打印速度和材料挤出，研究人员能够实现圆柱体的纳米级定向排列，从而创造出具有局部刚性区域和柔软弹性区域的复合材料。

△新型3D打印材料能够实现从柔软到刚性的可调节

自我修复特性

这一工艺最有趣的方面在于塑料材料的热退火以及自修复特性。Fergerson解释说，热退火显著改善了打印后材料的性能。这一工艺使实验室打印的物体可以重复使用多次，甚至在损坏时可以自我修复。为了证明这些自修复特性，研究人员切下了一个柔性的打印材料样本，并通过退火对它进行修复。根据他们的观察，修复后的材料与原件没有明显的区别。

研究团队的成员Emily Davidson强调，目前市场上类似的材料不仅成本高，而且需要复杂的加工流程，例如受控挤压和紫外线处理，每克成本大约为2.50美元（约合18元人民币）。相比之下，本项目中使用的TPE每克成本仅为0.01美元（约合0.07元人民币），且能够通过商业级3D打印机进行打印，大大降低了成本，并为大规模应用提供了便利。

该研究的核心目标之一是开发出具有局部可调节机械性能的软材料，同时采用经济高效且易于扩展的工业方法。Davidson指出，这种方法在设计先进软材料方面具有广泛的应用潜力，包括软机器人、医疗设备、假肢以及高性能定制鞋底等领域。

未来，研究团队计划进一步开发新的3D打印架构，以适应可穿戴电子产品和生物医学设备等应用。