微流体和材料科学的结合实现了有序多孔材料的突破。将具有大表面积的单相多孔材料限制在小体积内，有助于物理排除或选择性吸附不需要的污染物或化学物质。然而，对于一些特殊的应用领域，如储能、流体过滤和组织工程中，需要孔隙率或孔径随空间变化并具有明确的梯度。目前，多孔材料可以使用光刻和/或先进的增材/减材方法进行合成或微加工，从而对形态和化学性质提供不同程度的控制。3D打印，也称为增材制造（AM），特别适合于设计和生产复杂的架构，能对定制设计的几何形状进行经济高效的制造，其中许多结构无法用传统的加工、成型或光刻技术制造。近年来，使用3D打印来制造具有特殊形态和结构（如多孔材料）的材料逐渐成为研究热点。例如，研究者已经成功使用了多喷头的熔丝3D打印来制备多孔和致密材料，但基于商用熔丝材料的孔结构是不可调的，无法制备复杂的多孔结构。
近日，澳大利亚迪肯大学Egan H. Doeven和Rosanne M. Guijt团队在Small Structures上发表了研究文章，采用光聚合油墨进行3D打印，并通过数字光投影来控制光聚合过程，从而实现了对3D打印材料孔隙率的简便控制。
在本工作中，研究团队使用了灰度数字光投影（DLP）技术，将墨水逐层暴露在由LCD屏幕控制的紫外线下，相较于基于逐点激光曝光的SLA实现了较快的打印速度。打印的对象可以由CAD进行快速的数字信息转换，其中灰度掩模与切片图像相关联，从而实现在像素级别上对光强的有序控制。
团队对基于多种条件的打印结构进行了材料表征，高分辨扫描电子显微镜图像发现，无灰度条件（GS-0）下3D打印得到了致密的聚合物结构，而随着灰度提高，孔隙率也逐渐增大。当灰度达到75%（GS-75）时，聚合物样品的体积出现了明显差异，并在亚微米区域（<500 nm）显示出球状的聚合物结构。此外，团队还利用欧氏距离变换法计算了不同结构的孔径分布。
之后，团队设置了具有梯度的灰度掩模，在使用单一墨水的条件下，成功打印了孔隙率随空间变化的聚合物结构，结合了芯吸和非芯吸两种材料特性。团队将此器件用于土壤铁含量的比色分析，其结果与标准的化学分析差异小于2%。作者表示，本文提出的3D打印方法消除了传统精细加工方法中繁琐的多层组装、粘合和密封步骤，有利于复杂结构材料的快速定制和应用。
论文信息：
3D Printing Functionally Graded Porous Materials for Simultaneous Fabrication of Dense and Porous Structures in Membrane-Integrated Fluidic Devices
Hari Kalathil Balakrishnan, Ludovic F. Dumée, Andrea Merenda, Cyril Aubry, Dan Yuan, Egan H. Doeven*, Rosanne M. Guijt*
Small Structures
DOI: 10.1002/sstr.202200314
湘公网安备 43030502000175号
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