3D打印技术，也称为增材制造，已经迅速发展，能够生产从航空航天到生物医学等行业的复杂产品几何形状。然而，印刷部件的扩展能力仍然受到限制，以注入动态、适应性特性。
现在，研究人员已经开发出基于“活”化学键的3D可打印聚合物网络，可以根据需要重塑自身并改变特性。这个新材料平台为4D打印技术开辟了道路，可以随着时间的推移产生具有可编程形状变形和可调机械的复杂几何形状。
自 30 多年前诞生以来，3D 打印已经改变了设计原型制作和制造，因为它能够按需制造定制形状，而不受传统成型和加工技术的限制。
从喷射光敏聚合物到选择性地逐层熔化塑料或金属粉末，3D打印机直接从数字模型构建组件。近年来，在提高速度、分辨率和尺寸能力方面取得了显著的进步。打印的组织和器官支架、假肢、火箭发动机和超轻型飞机部件展示了 3D 打印在各行各业的颠覆性潜力。
然而，扩大3D打印的范围需要超越静态组件，转向能够响应刺激而主动改变形状或属性的物体。在过去的十年中，这催生了一个被称为4D打印的领域。4D打印旨在使打印的“智能”设备和组件具有内置功能，当受到湿度、温度变化或光线等外部因素触发时，它们会改变其几何形状或其他特征。
实现 4D 功能的早期方法已将形状记忆聚合物整合到长丝或光敏聚合物中，当加热超过编程温度阈值时会收缩。含有纤维素原纤维的水凝胶基质也被打印出来，以产生在水合时展开或变形的结构。这些演示了自驱动打印组件，其几何形状变化与窄触发器相关联。
一个持久的挑战是设计能够表现出可逆的、自适应特性的印刷材料，从而允许在多个周期内对尺寸、刚度或表面特征等特性进行可编程调节。动态共价键化学已显示出实现这一目标的希望。具有可逆连接和断开能力的共价键可以将自愈机制或可延展网络功能整合到聚合物材料中。
特别是，一种称为烷氧基胺键的化学键已显示出活的聚合物行为，这意味着在其骨架中含有烷氧基胺交联的聚合物可以通过添加新的单体来生长，或者通过应用精确的热和化学触发器通过切断链来收缩。
由化学家Eva Blasco博士领导的海德堡大学的一组研究人员现在报告说，使用烷氧基胺键来创造复杂的3D打印形状，这些形状具有前所未有的可逆性和适应性特征。
他们的研究发布在《先进功能材料》杂志上，详细介绍了一种含有丙烯酸酯和烷氧胺反应位点的新型交联剂分子。这种交联剂为3D可打印的光敏聚合物树脂配方奠定了基础，当暴露在光线下时，这些树脂会凝固成适应性强的网络。该团队利用高分辨率数字光处理 3D 打印技术，用树脂制造复杂细致的厘米级物体，包括花朵、花瓶、圆柱体和青蛙等种子形状。
至关重要的是，这些结构保持了其详细的几何形状，同时表现出尺寸和机械刚度的可编程变化，这是由于嵌入在整个材料中的动态烷氧基胺位点实现的。研究人员展示了小分子和温度导向的化学程序，通过链延伸新的聚合物生长来膨胀和硬化印刷部件，并通过在初始制造数年后切断插入的链来软化它们。
这种“多向”适应性扩展了可及的特性调制范围，从橡胶到玻璃行为。经过其开发的氮氧化物交换和聚合方案的印刷件的体积均匀地分别增加和减少超过20%，而降低的杨氏模量值从0.77兆帕到1.2千兆帕近六个数量级。这种戏剧性的可调性在一系列复杂的印刷几何形状中都得到了体现。
在改性过程中使用光谱学和成像进行分析，验证了化学成分和网络交联密度的均匀变化，支持机械性能的变化。测试还证实，尽管体积和刚度波动，但变化精确地局限于指定区域，并在几个小时内完成，并很好地保留了复杂的印刷结构，如花内脊和青蛙手指细节。
该研究强调了烷氧胺动态共价化学在使4D打印材料具有逼真的适应性和可定制可编程转换方面的特殊效用。虽然目前的结果集中在扩大单一印刷材料的范围上，但基于市售单体的可改性树脂平台为未来智能设备的混合和匹配转换功能打开了大门。
具体来说，研究人员预见到各种应用，从具有优化运动步态的软驱动机器人到具有自我优化孔隙率和刚度的组织支架或心脏瓣膜，因为细胞在培养过程中增殖。该技术还可以使具有表面或翼型的飞行器在飞行过程中主动变形形状，以提高速度、效率和机动性。
除了散装材料之外，通过对电导率曲线进行编程，精确的动态特性调整对于3D打印电子产品来说可能是革命性的。这种适应性还可以使3D打印组件能够自我修复累积的应力损伤。此外，活性化学提供了传统塑料和复合材料所没有的内置可回收性。
展望未来，将多种可逆化学物质结合起来进行正交反应将产生越来越复杂的系统，让人联想到自然界错综复杂的生物协调。研究人员计划进一步开发将其他动态共价基序纳入可打印基质中，以接近生物体的复杂性。
这个新的可定制框架部署了获得诺贝尔奖的动态共价化学，为科学家和工程师提供了一个广泛的新设计调色板，使他们能够开发下一代智能系统，能够反复自我修改形式和性能。
通过这个新的可定制框架部署了获得诺贝尔奖的动态共价化学，4D打印为科学家和工程师提供了一个广泛的新设计调色板，使他们能够开发下一代智能系统，能够反复自我修改形式和性能。
