（上图）可在两种不同粘弹性油墨（用红色和白色表示）间无缝切换的新型微喷头的截面CAD图。（下图）使用可在两种不同粘弹性油墨间无缝切换的新喷头打印而成的网格。由红色和透明油墨打印而成的结构显示了新型喷嘴的极速切换。（图片来源：哈佛大学（Harvard University）Lewis Lab.）

3D打印普遍采用挤压式直接喷墨方法，不论是打印血管组织还是可穿戴的传感器，抑或是微型电池。然而在过去的十年左右时间，该技术只能用于打印单一材料，极大的限制了使用范围。由哈佛大学材料科学家Jennifer Lewis带领的研究团队设计出了一种新的微喷头，或者说是喷嘴，制备过程中能够在两种不同粘弹性材料间进行无缝切换。相关研究成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）上，该新喷头和技术在未来将可能产生重要作用，比如用于打印在不同领域具有不同机械或电气性能的复杂器件。

哈佛大学工程师、该研究论文共同一作之一Thomas Ober说，该工作的成就主要由两个，“从硬件角度来看，我们制得了一个在连续打印过程中能够实现突然且灵敏的材料切换的喷嘴。从学术方面来看，我们开发出了一个非常简单的模型，使我们可以按照设想制备具有清晰切换的特定材料。”

除直接喷墨（Direct ink writing，DIW）外，另一种3D打印工艺称为熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM），该技术受到生产FDM打印机的MakerBot等公司大力推广。Ober解释说，FDM过程中材料（通常为热塑性材料）被熔化或液化，接着再快速冷却使其在基板上重新固化。另一方面，DIW过程中打印材料——粘弹性油墨——在室温下从喷嘴中流出，沉积到基板上后仍保持原状。“这就好比是牙膏。”Ober说，“可以相对容易的从喷嘴里出来，一旦挤到牙刷上，仍将保持原状且不脱落。”

相比于FDW，DIW可使用的打印材料种类更多更广泛。事实上，研究人员，特别是Lewis及其同事，已经采用DIW打印出了陶瓷和金属颗粒、凝胶、环氧树脂、甚至是充满细胞的油墨，等等。但该技术也有一些缺点。例如，打印那些由多种不同材料组成的物体就是一个很困难的过程，通常需要准备多个喷嘴，彼此之间还必须完全对齐，在启动-停止顺序上需要精确控制。对大多数打印机（包括FDM打印机在内）而言，这个挑战是真实的，Ober说，对于通常用于打印只有几十微米物体（如多细胞组织或小型电子产品）的DIW打印机而言，这更是个问题。

为了解决这个问题，哈佛大学研究团队设计了一个可用编程方式打印多种材料的单一微喷嘴。采用CNC（computer numerical control计算机数控）加工厂，他们加工了四片丙烯酸（一种商用的坚固材料）：其中两片形成微通道，另外两片作为油墨入口。对微通道进行抛光，并用蜡（保留其优良特性）填充，最后将这四个部件溶接：将其浸泡在丙酮中1分钟，再挤压。然后加工了喷嘴出口，去除加工喷嘴时多余的材料并抛光，再出去蜡。

打印过程中，注射泵通过两个200um*200um的微通道注射油墨。油墨触及一个小的喷嘴（两个进口中的一个单一部分），体积只有12.6 uL，使得打印过程中材料间发生快速切换。“你想让它变小的原因是当你想更换油墨时，你不想要有大量的不想要的材料喷出。”Ober如是说。打印过程中，只简单的改变每一种油墨的流速，可在半秒内实现无缝切换。

“目前的研究指出了一个通过单个喷嘴选择性挤压具有不同成分的某些特定油墨的有趣方法，这为异质结构的打印提供了一个很有前途的方法。”佛罗里达大学（University of Florida）机械工程师Yong Huang（未参与该项研究）如是说。但它还补充道，“该技术需要油墨具有一定的粘度等流变性能，以及相互间不发生反应。”

Ober也认同粘度是该喷嘴目前的一个限制因素，稠度与水类似的油墨无法轻易挤出，而类似于蜂蜜的油墨可以。他还指出虽然结很小，但油墨间仍然存在交叉污染。研究团队正在解决这些问题，以及如何优化喷嘴，使其能打印两种油墨相互间很好融合而非清晰转变的构件。此外，他们正在考虑打印过程中如何实现局部性能的控制，例如精确控制柔软和坚硬或导电和绝缘。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮