聚氨酯弹性体是一类具有优异机械性能的高分子材料，其独特的软段结构提供了良好的弹性和柔韧性，而硬段结构则赋予了其高的强度和耐磨性。这种相分离结构使性能各异的聚氨酯弹性体在汽车、医疗、电子和纺织等领域得到了广泛应用。然而，传统的聚氨酯弹性体加工方法，如注塑和浇注，通常需要较高的温度和压力，且模具制造复杂、成本高。而光固化3D打印技术（Vat Photopolymerization 3D Printing）具有快速成型、高精度和复杂结构制造能力，使之成为制造聚氨酯弹性体的理想方法。
近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料重点实验室3D打印摩擦器件组在光固化3D打印高性能聚氨酯弹性体研究方面取得重要进展。研究人员通过调控光敏聚氨酯预聚物的化学结构发展了具有优异光固化3D打印成形能力的高性能聚氨酯弹性体材料，构筑了机械承载稳定性的生物医用支架和具有仿生双梯度结构的阻尼减振、消音降噪等概念性功能器件。
研究人员通过在聚氨酯前驱体中引入了脲基和酯基，发展了多重氢键诱导的可快速光固化3D打印的超分子聚氨酯弹性体，获得的弹性体具有优异的高弹性、高强度、韧性以及良好的生物相容性和血液相容性。具有高精度光固化3D打印性能的聚氨酯弹性体综合了高性能与快速结构制造方面的优势，为具有优异抗压缩承载能力和机械稳定性等特性的复杂柔性结构生物医疗器械的制造提供了新的材料技术方案。
多氢键诱导的光固化3D 打印聚氨酯弹性体及生物医用支架
另外，受向日葵髓双梯度结构启发，研究人员采用光固化3D打印聚氨酯弹性体设计构筑了具有孔径和壁厚双梯度变量的仿生双梯度结构聚氨酯。这种仿生双梯度结构聚氨酯具有选择性的抗屈曲性以及各向异性的机械性能和耗散行为，有效提升了其比强度、能量吸收和抗撕裂性特性，解决了传统多孔泡沫材料性能调控难、功能单一等问题，在阻尼缓冲减振和消音降噪等领域具有很好的应用潜景。
光固化3D打印聚氨酯弹性体结构设计与仿生双梯度结构制造策略
仿生双梯度结构聚氨酯缓冲减振和消音降噪功能演示
上述研究丰富了高性能光固化3D打印聚氨酯弹性体材料的种类及其在功能结构器件定制化制造方面的应用探索，为其在生物医疗、柔性电子、摩擦密封等领域的应用拓展提供了材料和技术基础。
相关研究成果分别以“Multiple H-bonds Induced Mechanically Robust Vat Photopolymerization 3D Printing Poly(urethane-urea) Elastomers”和“Sunflower Pith Inspired Dual-Gradient Cellular Polyurethane Architecture with Amplified Mechanical Functions”为题发表在Materials Horizons（Materials Horizons,2024,https://doi.org/10.1039/D4MH01191K）和Chemical Engineering Journal（Chemical Engineering Journal,2024,500,156740）上。石河子大学联培博士生杨星星和中国科学院大学博士生白常成分别为论文第一作者，兰州化物所刘德胜助理研究员和王晓龙研究员为共同通讯作者。
上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院“西部之光”创新团队、中国科学院特别研究助理资助项目、兰州化物所重点培育项目和甘肃省科技计划等项目的支持。
