由軟組織構成的器件或設備，如生物學系統(tǒng)采用的軟組織（楊氏模量<108?Pa），具有可負荷調節(jié)、減震、接觸操作等功能的固有優(yōu)勢。聚二甲基硅氧烷是很普遍的商用有機硅樹脂，憑借其高彈性硅氧烷骨架，使其擁有卓越機械性能，熱阻和化學惰性，成為理想的軟器件所需基體材料。但是，傳統(tǒng)的成型工藝限制了其發(fā)展。而且近期發(fā)展的3D打印技術工藝雖可利用液體硅橡膠作為油墨獲取復雜形狀的制品，但該油墨凝膠動力學和流變特性限制了高寬比結構和懸垂特征，即使通過化學改性油墨來獲取理想粘度和固化速度的性能，但復雜化的化學改性卻使其行不通。通過對比發(fā)現(xiàn)，濕法聚合技術的光固化光刻技術（SLA）擁有快速打印且可打印空洞結構制件。但是，從發(fā)表的文章來看，自由基引發(fā)光聚合技術應用到SLA需要穩(wěn)定且低粘度的樹脂，因此至今仍沒有任何人利用該技術去獲取室溫有機硅樹脂（低模量，高斷裂伸長率和高韌性）一樣的性能材料。這樣SLA打印單網(wǎng)絡的硅樹脂仍較困難。
為了解決這一問題，Facebook虛擬現(xiàn)實研究實驗室聯(lián)合康奈爾大學創(chuàng)造性利用SLA技術雙網(wǎng)絡3D打印硅樹脂（SilDNs）實現(xiàn)超高性能的有機硅彈性體，具有低彈性模量（E100%?< 700kPa），較大極限應變（dL/L0高達~400%）、高韌性（U~1.4MJ·m?3）和強度（σ~1 MPa）。重要的是，潛在的反應為SilDNs與其相連的不同基體之間存在7個數(shù)量級模量差，這為下一代可穿戴設備和機器人提供了借鑒之路。該研究以題為“3D printable tough silicone double networks”的論文發(fā)表在最新一期《Nature Communications》上。
1，SilDNs設計與光流變學分析
在這項工作中，基于前期研究結果，作者們選用具有速度快，產(chǎn)率高的硫醇烯分步加成反應。首先設計硫醇聚合物（R-SH）與含端雙鍵化合物（C=C-R/）在波長為405nm的光照下固化反應，采用自下而上的SLA打印技術，制備出含硫醇烯有機硅樹脂“綠色軀體”，完成第一條網(wǎng)絡結構；為進一步加強“綠色軀體”力學性能，作者們設計含羥基化合物（R-OH）與醚基化合物（R/-O-R//）在催化劑的作用下，發(fā)生化學交聯(lián)反應，滲透到“綠色軀體”中，形成互穿網(wǎng)絡結構的雙網(wǎng)絡結構制品。隨后作者們利用光流變學對其制品進行表征和分析，發(fā)現(xiàn)，當儲能模量（G/）大于損耗模量（G//）時，硅樹脂由液體轉變?yōu)楣虘B(tài)，進一步光照固化，體系達到一平衡狀態(tài)，這是第一條網(wǎng)絡結構的硫醇烯加成反應接近完成，隨后停止光照，體系轉入黑暗環(huán)境凝固反應，體系模量迅速變大，隨后達到平衡，第二條網(wǎng)絡結構接近結束。同時，作者們也利用photo-DSC和FTIR表征手段對體系的官能團變化進行跟蹤和分析，發(fā)現(xiàn)，在第一條網(wǎng)絡形成過程中，-SH的轉化率高達94%，在第二條網(wǎng)絡形成過程中，-OR的轉化率也隨時間發(fā)生很大變化。另外，作者們對兩種網(wǎng)絡結構的相對質量分數(shù)變化對體系的粘度和力學強度進行了研究和分析，發(fā)現(xiàn)，第二網(wǎng)絡結構可對體系的力學性能起到關鍵作用。
圖1. 3D打印的SilDNs
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2，SilDNs力學性能及其在外科手術及生物醫(yī)藥中應用
除了改變雙網(wǎng)絡結構中的成分含量，可調節(jié)SilDNs的力學性能，作者們還通過選用不同商業(yè)化的硅樹脂基礎材料來調控SilDNs的力學性能。結果顯示，均有較好力學性能體現(xiàn)。作者們同時將SilDNs的力學性能與其他可用的SLA硅樹脂進行對比，發(fā)現(xiàn)，比硫醇烯基硅樹脂的力學性能優(yōu)越很多，SilDNs的韌性強度可高達1MJ·m?3以上，而SLA硅樹脂僅0.1 MJ·m?3以下；并且SilDNs的撕裂強度也遠大于商業(yè)化的聚氨酯SLA樹脂。隨后作者們將該技術應用到外科手術和生物醫(yī)藥領域，以提高臨床外科手術模擬工作效率和減少病人昂貴手術費用等。作者們打印出的與嬰兒心臟大小一致的制品雖然不能像真實心臟那么復雜，但是它的彈性模量類似真實器官，可注射，剖切和縫線。這些功能可歸功于SilDNs優(yōu)異的力學性能。
圖2.?SilDNs的力學性能
3，SilDNs在可穿戴和軟機器人集成應用
功能性、可穿戴的軟驅動器和傳感器可以識別身體姿勢，協(xié)助操縱或行走，并為用戶生成觸覺信息。作者們將制品與織物手套或LED相結合，表現(xiàn)出較好的復合消費等級觀念和智能穿戴要求。
圖3.?SilDNs在可穿戴和軟機器人集成應用
總結：作者們通過SLA打印技術，制備出的SilDNs相對于擁有相似低模量表現(xiàn)出超高力學性能。同時通過調控SilDNs中任一組份含量的變化，可調控SilDNs的力學性能，并且與不同基體相互連接時，變現(xiàn)出超過7個數(shù)量級的模量變化，這足以證明可在智能可穿戴和機器人集成應用方面具有較大空間。同時，作者對SilDNs的未來發(fā)展也提供了較好建議。
