高精度透明材料3d打印（高自由度3D打印胶体晶体水凝胶）

胶体晶体水凝胶材料具备独特的将环境参数改变转化为颜色变化的性质，因而被视为制造新型微传感器件的优越材料。但现有的制造技术无法有效的加工出微小的、材料和结构可任意设计的胶体晶体凝胶，使得胶体晶体凝胶传感器件被限制在毫米/亚毫米尺度的薄膜、微球、纤维等形态。实现胶体晶体凝胶高精度、高自由度的三维制造仍是巨大的挑战。

日前，东南大学顾忠泽（点击查看介绍）团队将自上而下的胶体晶体自组装技术与自上而下的双光子激光直写加工技术结合，设计并开发了一种胶体晶体微结构的加工方案，实现了任意材料、三维形态的胶体晶体水凝胶的制备。该工作发表在Nature Communications。

图1. 利用双光子光刻加工胶体晶体微结构的原理。

由于激光直写加工过程会对纳米粒子的自组装产生显著的扰乱，常规的双光子光刻技术无法用于胶体晶体预聚液的加工。为了解决这个问题，作者提出了一种以二硫键交联网络（可牺牲支架）作为介导的胶体晶体微结构的加工方案。激光直写前，含双(2-甲基丙烯)乙氧基二硫（BMOD）的前驱液固化的交联网络锁定住已有序组装的二氧化硅粒子形成胶体晶体薄膜。将用于二次聚合的前驱液渗入到该薄膜内而后进行膜内的激光直写。加工结束后，将薄膜整体置于降解溶液中，二硫交联网络被打断，未经激光直写的部分（可牺牲支架）完全降解，最终获得激光直写的胶体晶体微结构（图1）。

图2. 激光直写胶体晶体结构的表征。

作者探究了激光直写参数与得到的胶体晶体凝胶的结构色间的关系，发现得到的结构色可以通过控制激光强度和扫描速度进行大范围的调控，从而一次性加工出多种结构色的胶体晶体凝胶（图2）。

图3. 利用该技术加工的胶体晶体微凝胶。

利用双光子激光直写技术高精度、高自由度的特点，作者制备了一系列具有复杂二维和三维结构的胶体晶体凝胶。在保证结构色的同时，充分发挥双光子聚合激光直写在微米尺度下空间限域加工的优势，制备了微管、微支架等多种具有实际应用价值的胶体晶体微结构（图3）。

图4. 该方法的泛用性和在微流控芯片中的应用演示。

该方案具有良好的泛用性，可用于多种凝胶态和固态胶体晶体微结构的制造，即使预聚液无法与二氧化硅纳米粒子相容亦不影响最终的结果。作者最后利用这种方法在微流控芯片中制备出了温度响应的微型胶体晶体凝胶传感器，可对芯片内微区环境的温度进行实时、原位的监测。

东南大学生物科学与医学工程学院博士生刘柯良为论文的第一作者，杜鑫副研究员和顾忠泽教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划和江苏省优秀青年基金的资助。

3D printing colloidal crystal microstructures via sacrificial-scaffold-mediated two-photon lithography

Keliang Liu, Haibo Ding, Sen Li, Yanfang Niu, Yi Zeng, Junning Zhang, Xin Du & Zhongze Gu

Nat. Commun., 2022, 13, 4563, DOI: 10.1038/s41467-022-32317-w

导师介绍

顾忠泽

https://www.x-mol.com/university/faculty/45903