【儀表網 研發快訊】近日，廈門大學薩本棟微米納米科學技術研究院吳德志教授團隊在3D打印取得突破性進展。團隊首次提出并驗證“激光原位誘導直寫打印”技術：通過激光原位誘導與3D打印射流相耦合，顛覆傳統熱固性材料成型方式，實現三維柔性結構原位、快速成型與性能實時調控。該技術大幅縮短固化時間，三維結構成型無需額外犧牲材料與繁瑣后處理步驟，可在空間維度實時編程調控打印結構機械與電學性能。將為柔性電子、軟體機器人、器官芯片與生物支架等亟需三維復雜結構增材制造與多功能集成的領域開創全新范式。相關研究成果以“Laser-assisted direct three-dimensional printing of free-standing thermoset devices”為題，發表在國際頂級期刊Nature electronics(DOI:10.1038/s41928-025-01491-2)。
 

　　熱固性材料(如PDMS)微納結構因其具有出色柔韌性、化學、熱穩定性與生物相容性，被廣泛應用于柔性電子、軟體機器人與生物醫學領域。然而，傳統模板法與現有3D打印技術制備熱固性功能器件存在制備時間長、需要支撐結構、處理步驟多和性能無法在線調控等缺陷。當前，通過熱、聲和紫外光場等輔助直寫打印技術在固化效率、材料兼容性與性能調控方面仍存局限。
 

　　有鑒于此，研究團隊提出激光原位誘導直寫3D打印技術：引入激光原位照射在微尺度射流誘導局域光熱效應，實現數百毫秒內熱固性材料快速交聯(～0.25秒，比傳統方法快5個數量級)、無需支撐材料即可構建任意形狀三維結構(如大斜度角度或水平懸垂結構)并具有高度靈活的性能時空調控能力。該打印技術可實現50μm結構分辨率，三維立體結構長徑比達50以及10-20倍機械和電學性能無級調控。籍此方法制備具有優異應變抑制特性的剛度梯度可拉伸電子器件、高性能3D柔性傳感器與多功能3D磁性軟體機器人。該技術為熱固性三維結構快速、穩定、可編程制造提供一種全新、普適策略，有望推動柔性電子、微流控和智能軟體機器人等應用3D打印產業化進程。
 

　　圖1 激光原位誘導直寫3D打印技術制備三維熱固性器件：(a)打印工藝示意圖；(b)激光誘導直寫打印行為與光熱效應演化

 

　　針對傳統熱固性材料3D打印過程中立體結構成型難、工藝時間長與功能調控受限等痛點問題，引入激光原位照射飛行微射流產生局部光熱效應，誘導熱固性墨水發生快速相變，實現結構原位與高效調控制造。以PDMS為例，激光照射下可迅速提升射流溫度至150 ~ 300℃，溫度變化引起聚合物快速交聯顯著提升射流粘度與成型剛度(圖2a-c)。相較于室溫固化(約48小時)與外場輔助3D打印技術(>1秒)，固化時間有效縮短至數百毫秒內。
 

　　打印過程中，結合工藝參數優化與原位調控以實時改變聚合物交聯進程，實現10倍機械性能調控與20倍電氣性能調控(圖2d-f)。同時，開發用于預測激光原位打印結構剛度的理論預測模型，預測精度優異。基于該特性可制備具有空間剛度梯度結構的柔性可拉伸基底。
 

　　圖2 激光原位誘導直寫3D打印技術快速成型與實時調控：(a-b)激光誘導墨水快速相變；(c)打印工藝優化調控；(d-e)機械性能調控；(f)電學性能調控

 

　　籍由激光快速成型機制，通過平衡激光能量與打印通量間參數關系，無需支撐材料即可構建任意形狀三維立體結構，涵蓋大傾角、水平懸垂、垂直立柱以及空間曲線等復雜結構(圖3)。該技術對熱固性材料具有廣泛兼容性、可拓展性與多材料集成特性，在多種硅橡膠材料與環氧樹脂、聚四氟乙烯、聚氨酯和聚酰亞胺等材料上得以驗證。
 

　　圖3 激光誘導復雜三維立體結構免支撐成型與多材料打印：(a-b)PDMS；(c)PDMS/NdFeB；(d)Dragon Skin；(e)Ecoflex；(f)含白色、黃色與紅色顏料PDMS

 

　　以激光原位誘導直寫打印技術高分辨率、快速固化與實時可控的獨特優勢，可原位構筑三維柔性功能結構，賦能柔性電子、傳感器與執行器等領域。(1)空間可編程剛度梯度可拉伸電子器件有效優化應力分布，具有優異應變與彎曲干擾抑制特性，適用于智能可穿戴電子器件(圖4)；(2)三維柔性壓力傳感器具有高靈敏度、動態響應以及循環穩定特性，可用于人體運動狀態實時監測(圖5)；(3)三維磁驅動軟體機器人可有效增強驅動功能、提升驅動速度與穩定性，具備體內靶向給藥的應用潛力(圖6)。
 

　　圖4 激光原位誘導打印剛度梯度可拉伸柔性電子器件：(a)均勻剛度與剛度梯度柔性基底拉伸對比；(b)剛度梯度基底應變干擾抑制；(c-f)剛度梯度集成可穿戴電子皮膚應用驗證

 

圖5 激光原位誘導打印技術制備3D柔性傳感器件：(a-c)柔性傳感器打印工藝與集成結構；(d-e)高性能柔性傳感器人體運動狀態監測應用演示
 

圖6 激光原位誘導技術制備三維磁軟體機器人：(a-c)三維磁軟體機器人結構與驅動響應：垂直圓柱陣列、三維仿生蝴蝶與三維螺旋彈簧；(d)三維螺旋彈簧機器人血管模型內靶向給藥應用演示
 

　　該論文以廈門大學薩本棟微米納米科學技術研究院為第一單位，吳德志教授和加州大學伯克利分校林立偉教授為共同通訊作者。薩本棟微米納米科學技術研究院博士研究生莊啟彬為論文第一作者。研究工作得到了廈門大學孫道恒的悉心指導，以及伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校余存江教授和西安交通大學趙立波教授等的指導與幫助。該研究工作得到了國家自然科學基金(52075464)和廈門市科技計劃(3502Z20224030)資助與支持。