3D打印近环境响应液晶弹性体：基于混合冷却的向列相调控及应用拓展
时间：2025-10-30 09:58 来源：EFL生物3D打印与生物制造 作者：admin 阅读：次
液晶弹性体（LCEs）可发生可编程、可逆变形，在软驱动器、可穿戴设备和机器人领域前景广阔。但传统LCEs的向列-各向同性转变温度（TNI）较高，远超环境和人体可耐受温度，不仅耗能大，还限制了其通过环境或人体热量驱动的应用，无法满足实际需求 。近环境响应的液晶弹性体（NAT-LCEs）虽能解决部分问题，但其制备存在难题。常规制造方法中，如模塑法可编程性受限，直接墨水书写（DIW）3D打印又存在向列相序低的问题，且DIW打印时，墨水在常温下粘度低、剪切应力小，难以实现液晶元有序排列，同时紫外线交联产生的热量会破坏排列，如何优化这些因素以实现有效排列和可控变形仍是挑战。此外，NAT-LCEs在打印过程中TNI的变化对打印形状的影响尚未得到充分研究。
为解决这些痛点，来自中国科学技术大学李木军、张世武团队提出一种混合冷却策略。他们通过在3D打印机中集成低温喷嘴和冷却平台，有效控制打印过程中的温度场，促进液晶元排列并实现无干扰的紫外线交联。该方法显著提升了NAT-LCEs的向列相序，打印出的结构能自发转变为3D形状并呈现双向变形。团队还基于此制备了用于心率监测的腕带系统。相关工作以“3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation”为题发表在《ACS Nano》上。中国科学技术大学李木军副教授、张世武教授、孙宇轩博士后为论文通讯作者，硕士研究生李东晓，孙宇轩博士后为论文共同第一作者。
1. 近环境温度响应液晶弹性体（NAT-LCEs）的混合冷却控制3D打印及排列策略，通过合成NAT-LCE墨水，利用集成液体冷却喷嘴和半导体冷却平台的3D打印机进行打印，并对比室温打印情况，研究混合冷却策略对NAT-LCEs打印过程中液晶元排列的影响。结果表明，混合冷却策略能有效改善液晶元排列，其制备的NAT-LCEs向列相序比传统室温3D打印高3000%，证实该策略可提升打印质量与材料性能。
2. NAT-LCE排列对喷嘴和冷板温度的依赖性，采用旋转流变仪测量不同温度下NAT-LCE墨水粘度、热成像仪记录UV固化时温度变化、广角X射线散射（WAXS）表征样品取向等方法，研究喷嘴和冷板温度对NAT-LCEs在3D打印过程中排列、固化及相关性能的影响。结果显示，低温有助于提高墨水粘度、加快粘度稳定，减少UV固化时的热干扰，提升液晶元排列效果，进而增强材料的驱动应变和杨氏模量。
3. NAT-LCE的可编程多元变形，运用差示扫描量热法（DSC）分析交联后NAT-LCE的向列-各向同性转变温度（\(T_{NI}\)）变化，通过实验和有限元分析（FEA）模拟，研究NAT-LCE在不同温度下的变形行为。结果表明，交联后\(T_{NI}\)显著变化，NAT-LCE能在加热和冷却时呈现双向变形，如具有特定图案的LCE纤维、正交层结构和网格图案结构在不同温度下均展现出可预测的复杂变形，证明其变形可编程且多元。
4. 梯度特性NAT-LCE结构的可编程温控3D打印，设计并打印双层LCE结构，通过控制每层打印时的温度参数，利用光学成像和FEA模拟，研究不同温度控制策略对NAT-LCE结构变形行为的影响。结果表明，通过调整喷嘴和冷板温度，可实现对NAT-LCE向列相序的梯度调控，使打印结构呈现出复杂的主动变形行为，如“USTC”字母形状的LCE结构在受热时展现出独特的动态变形效果。
5. 用于增强心率监测的人体兼容、自适应和交互式LCE腕带，制备集成柔性液态金属加热元件和温度传感器的LCE腕带，并将其与手表系统集成，通过采集光电容积脉搏波（PPG）信号、进行拉力测试和疲劳测试等方法，研究腕带在心率监测方面的性能。结果显示，该腕带能通过加热实现自动收紧，有效提高心率测量精度，经1000次循环疲劳测试后性能无明显下降，具备实际应用的可靠性。
研究结论
本研究展示了一种混合冷却策略，用于近环境温度响应液晶弹性体（NAT-LCEs）的可编程3D打印，该策略能增强向列相序，实现复杂形状的构建和变形。通过采用液体冷却喷嘴和冷基板，有效改善了打印过程中液晶元的排列，确保了最佳固化效果，最大程度减少了热干扰。这种方法实现了较高的向列相序，有助于制造能在近环境温度下双向变形的复杂可编程结构。研究结果揭示了该混合冷却策略在推动NAT-LCEs在软机器人、生物医学设备和自适应可穿戴技术等领域应用的潜力。未来研究将聚焦于优化打印参数，并探索NAT-LCEs与其他创新材料的结合，以进一步拓展其功能特性。
文章来源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15521
为解决这些痛点，来自中国科学技术大学李木军、张世武团队提出一种混合冷却策略。他们通过在3D打印机中集成低温喷嘴和冷却平台，有效控制打印过程中的温度场，促进液晶元排列并实现无干扰的紫外线交联。该方法显著提升了NAT-LCEs的向列相序，打印出的结构能自发转变为3D形状并呈现双向变形。团队还基于此制备了用于心率监测的腕带系统。相关工作以“3D Printing of Near-Ambient Responsive Liquid Crystal Elastomers with Enhanced Nematic Order and Pluralized Transformation”为题发表在《ACS Nano》上。中国科学技术大学李木军副教授、张世武教授、孙宇轩博士后为论文通讯作者，硕士研究生李东晓，孙宇轩博士后为论文共同第一作者。
1. 近环境温度响应液晶弹性体（NAT-LCEs）的混合冷却控制3D打印及排列策略，通过合成NAT-LCE墨水，利用集成液体冷却喷嘴和半导体冷却平台的3D打印机进行打印，并对比室温打印情况，研究混合冷却策略对NAT-LCEs打印过程中液晶元排列的影响。结果表明，混合冷却策略能有效改善液晶元排列，其制备的NAT-LCEs向列相序比传统室温3D打印高3000%，证实该策略可提升打印质量与材料性能。
图1. 近环境温度响应液晶弹性体（NAT-LCEs）的混合冷却控制3D打印及排列策略。
2. NAT-LCE排列对喷嘴和冷板温度的依赖性，采用旋转流变仪测量不同温度下NAT-LCE墨水粘度、热成像仪记录UV固化时温度变化、广角X射线散射（WAXS）表征样品取向等方法，研究喷嘴和冷板温度对NAT-LCEs在3D打印过程中排列、固化及相关性能的影响。结果显示，低温有助于提高墨水粘度、加快粘度稳定，减少UV固化时的热干扰，提升液晶元排列效果，进而增强材料的驱动应变和杨氏模量。
图2. NAT-LCE排列对喷嘴和冷板温度的依赖性。
3. NAT-LCE的可编程多元变形，运用差示扫描量热法（DSC）分析交联后NAT-LCE的向列-各向同性转变温度（\(T_{NI}\)）变化，通过实验和有限元分析（FEA）模拟，研究NAT-LCE在不同温度下的变形行为。结果表明，交联后\(T_{NI}\)显著变化，NAT-LCE能在加热和冷却时呈现双向变形，如具有特定图案的LCE纤维、正交层结构和网格图案结构在不同温度下均展现出可预测的复杂变形，证明其变形可编程且多元。
图3. NAT-LCE的可编程多元变形。
4. 梯度特性NAT-LCE结构的可编程温控3D打印，设计并打印双层LCE结构，通过控制每层打印时的温度参数，利用光学成像和FEA模拟，研究不同温度控制策略对NAT-LCE结构变形行为的影响。结果表明，通过调整喷嘴和冷板温度，可实现对NAT-LCE向列相序的梯度调控，使打印结构呈现出复杂的主动变形行为，如“USTC”字母形状的LCE结构在受热时展现出独特的动态变形效果。
图4. 梯度特性NAT-LCE结构的可编程温控3D打印。
5. 用于增强心率监测的人体兼容、自适应和交互式LCE腕带，制备集成柔性液态金属加热元件和温度传感器的LCE腕带，并将其与手表系统集成，通过采集光电容积脉搏波（PPG）信号、进行拉力测试和疲劳测试等方法，研究腕带在心率监测方面的性能。结果显示，该腕带能通过加热实现自动收紧，有效提高心率测量精度，经1000次循环疲劳测试后性能无明显下降，具备实际应用的可靠性。
图5. 用于增强心率监测的人体兼容、自适应和交互式LCE腕带。
研究结论
本研究展示了一种混合冷却策略，用于近环境温度响应液晶弹性体（NAT-LCEs）的可编程3D打印，该策略能增强向列相序，实现复杂形状的构建和变形。通过采用液体冷却喷嘴和冷基板，有效改善了打印过程中液晶元的排列，确保了最佳固化效果，最大程度减少了热干扰。这种方法实现了较高的向列相序，有助于制造能在近环境温度下双向变形的复杂可编程结构。研究结果揭示了该混合冷却策略在推动NAT-LCEs在软机器人、生物医学设备和自适应可穿戴技术等领域应用的潜力。未来研究将聚焦于优化打印参数，并探索NAT-LCEs与其他创新材料的结合，以进一步拓展其功能特性。
文章来源：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15521
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