2026年8月20日，由海德堡大学分子系统工程与先进材料研究所 (IMSEAM) 的研究员伊娃·布拉斯科教授领导的研究团队，现已设计出一种可根据需要分解成各个组成部分的光固化3D打印聚合物材料。这种聚合物在室温下可通过化学引发剂分解，打印出的部件会在几秒钟内分解成分子组成单元。这些单元可以被回收并在循环制造过程中重复使用，且具有相同的成分和机械性能。
△亚稳态材料的示意图（左图）：分子链由一个单一的“锁”（橙色）连接在一起。一旦正确的化学“钥匙”打开这个“锁”，整条链就会在几秒钟内分解成组成部分（右图）。| © Blasco集团
相关研究成果以题为“Metastable Polymers forCircular 3D
Printing”的论文发表在《先进材料》（Advanced
Materials）期刊上。这项研究是在“3D材料定制”卓越联盟框架下开展的，联盟由海德堡大学和卡尔斯鲁厄理工学院合作组成。德国研究基金会、卡尔·蔡司基金会和化学工业基金为这项研究提供了资助。
在增材制造（即3D打印）方法中，高精度光固化3D打印技术（例如数字光处理）因其能够制造小型复杂结构而脱颖而出，这项技术被广泛应用于个性化医疗或软体机器人等领域。光固化3D打印技术基于液态“墨水”，当暴露于光照下时，墨水会固化成固体三维结构。它们通常由所谓的热固性材料制成，组成单元永久且不可逆地连接成一个永久性网络。这使得材料非常稳定，但它们几乎无法回收利用，科学家认为，它们可能会成为持续产生废弃物的来源。为了使光基3D打印更具可持续性，海德堡大学的研究团队设计了一种亚稳态材料，这种材料可以分解成各个组成部分，而不会影响精度、质量或机械稳定性。科学家们使用了一种特殊的聚合物作为研究基础，这种聚合物能够对化学信号做出反应。
△基于光固化的3D打印材料设计策略：迈向真正的循环系统。(A)
传统材料形成不可逆的共价键，具有高结构完整性，但强制执行线性的材料生命周期。(B)
基于解离交换的动态共价网络通过热诱导的键断裂实现部分可逆性；然而，它们的性能受到热平衡限制的制约。(C)
本研究引入了可打印的亚稳态网络，其中聚合物主链在使用过程中被动力学锁定（锁住），但可以通过化学触发剂（钥匙）选择性解锁，从而在环境条件下启动快速的去聚合反应，实现单体到单体的循环利用。
在伊娃·布拉斯科（Eva Blasco）团队中从事研究的博士生约翰内斯·马克哈特（Johannes
Markhart）解释道：“长长的分子链由一个预先设定的断裂点连接在一起。一旦特定的化学引发剂打开这个断裂点，整个链就会在室温下几秒钟内像多米诺骨牌一样分解成各个组成部分。这个预先设定的断裂点就像一把锁，只有用正确的钥匙才能打开。”研究团队在实验中利用这种新型亚稳态材料，成功制造出各种细节达到微米级的复杂三维结构，从而证明了高分辨率“墨水”的适用性。约翰内斯·马克哈特说道：“它不仅拥有极高的打印质量，还具备一种此前3D打印聚合物材料几乎不具备的特性：它可以完全分解成各个组成部分，且不留任何残留物。”
△亚稳态聚合物材料用于高分辨率3D打印。(A)
开发的墨水平台的关键组件，包括光反应性亚稳态预聚合物和可调节的反应性修饰剂。亚稳态聚合物（PoPA-dA）在每个末端具有可断裂单元（橙色）和可光聚合的丙烯酸酯基团，能够通过3D打印形成聚合物网络。反应性修饰剂（HEA和DIPS-dA）用于调节最终打印材料的交联和可断裂单元的密度。(B-D)
各种厘米尺度3D结构的照片，展示了复杂的几何形状：一个空心棋子（墨水1）、一个格子表面的鸭子（墨水2）和一个复杂的立方体格子（墨水3）。这些模型展示了这种材料在解析薄支柱、内部空隙和高表面积与体积比等挑战性特征方面的能力，具有卓越的结构保真度（比例尺
= 2 mm）。
随后，科学家们分离出这些组成单元，并重新转化为聚合物。光谱分析证实，回收聚合物的化学成分在分子水平上与初始材料完全相同。参与这项研究的博士生菲利普·迈尼克博士说表示：“重复使用后，新材料展现出与首次打印过程中相同的性能。”布拉斯科教授强调说：“我们的研究表明，稳定性和可回收性并非相互排斥。我们希望它能为真正的化学循环铺平道路，从而有助于实现更可持续的制造工艺。”她与她在IMSEAM和海德堡大学有机化学研究所的研究团队一起，在高分子化学、材料科学和增材制造的交叉领域开展研究。
来源：南极熊
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