研究人员开发可擦除的新型光敏树脂3D打印结构

        在纸张上写入信息和擦除字迹是司空见惯的事情，不管是刚学写字的小朋友，还是科学领域的研究者，在纸上写写擦擦都是生活中的日常。铅笔写字好擦除，但钢笔字就不太好擦除了。与此类似，风靡一时的3D打印技术也有一个痛点，那就是已经打印出来的结构如何能够高分辨率地“擦除”不想要的部分？再来看看化学领域，反应中共价键或非共价键的可逆形成和断裂，也可以广义地看作“写入”和“擦除”。那么，有没有可能把化学键的形成与断裂引入到3D打印技术，从而实现打印结构的可逆“擦除”呢？
近日，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）Martin Wegener、Christopher Barner-Kowollik、Eva Blasco等人以光敏性聚合物体系为研究切入点，采用含邻硝基苄基醚（ONB）光刻胶树脂进行3D打印微结构的光写入与擦除研究。基于丙烯酸酯类单体在光引发剂辅助下900 nm光诱发自由基聚合交联，以及ONB功能基团在700 nm激光辐照下的光降解，研究团队首次同时通过光控实现了精细3D结构的构筑及选择性擦除。相关论文发表于Advanced Materials。
光敏树脂结构及光控3D打印及擦除示意图。图片来源：Adv. Mater.       为避免丙烯酸树脂光引发聚合过程中光照引起ONB基团的光降解，研究团队通过筛选确定飞秒激光波长为900 nm、功率8 mW，3D打印光写入速率为100 μm s-1；激光擦除波长则为700 nm、平均功率10 mW，溶剂体系为DMSO。研究团队采用上述900 nm波长激光3D打印15 × 15 × 5 μm3 立方体结构，随后采用700 nm波长激光对立方体进行选择性结构擦除，最终获得各种结构复杂3D结构器件。SEM测试表明，光擦除形成的微结构形貌具有光滑的边缘结构和良好的空间规整性，在微流体器件等复杂微结构3D结构器件的制备方面具有优异的实用性。
光控复杂3D微结构器件的制备。图片来源：Adv. Mater.        为进一步展示该含ONB光刻胶树脂与商业化光刻胶树脂的兼容性，研究人员以含ONB光刻胶3D打印制备5 × 5 μm2 方块基座、以商业化丙烯酸为材质制备基座间线状连接构件。基于含ONB树脂基体内的剩余反应性官能团，基座树脂能够与线状树脂形成共价键连接。基于含ONB树脂基座的700 nm光可擦除性，通过选区曝光可实现3D微结构阵列中局部个体器件的完全擦除。
新型光敏树脂与商业化光刻胶树脂兼容性展示。图片来源：Adv. Mater.总结
光刻胶其独特的光交联或光降解特性，使其在微结构制备领域有着广泛的应用。该论文通过将光交联和光降解功能基团同时引入光刻胶树脂中，借助先进的3D打印成型技术简便实现了各种复杂3D微结构器件的构筑及成型器件的二次局部结构调控。同时，该研究成果中的新型光敏树脂与商业化光刻胶优异的兼容性使其在复合材质微结构器件的制备中具有独特的优势。