研究人员利用PETG和PVA开发出可降解的4D打印致动器，可遇水触发变形

频道：技术日期：2026-02-11 浏览：5

2026年2月10日，马德里理工大学和IMDEA材料研究所的研究团队开发了一种通过控制材料降解来制造形状可改变装置的方法：通过在多材料 4D 打印中将聚对苯二甲酸乙二醇酯改性 (PETG) 与聚乙烯醇 (PVA)相结合，制造出了遇水后会改变几何形状的致动器，为自适应医疗植入物和软体机器人应用开辟了可能性。

这项研究以题为“Exploring the mechanical, biologicaland degradation properties of PVA and PETG for engineering multi-material 4Dprinted actuators triggered by degradation”的论文发表于《增材制造》杂志，探讨了两种聚合物的机械、生物和降解特性，以评估它们在合适的工程应用中的可行性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.105074

能够以可控方式改变自身几何形状的形状变形致动器和装置，因其几何自由度、多材料加工性和个性化选项等优势，在众多工业领域具有重要意义，并日益普及。在本研究中，研究人员使用Bambu Lab X1 Carbon打印机，通过熔融沉积成型技术制造了测试样品。PVA样品在水浸过程中表现出显著的性能变化，浸泡80分钟后，弹性模量、屈服强度和拉伸强度平均下降了约30%。随着降解的进行，材料的力学行为由脆性转变为韧性。

△用于材料表征的结构设计。(A) 用于拉伸和弯曲力学测试的试样。(B) 用于评估 PVA 水解降解的二维样品。(C) 用于评估两种材料在不同浓度下的生物相容性的几何结构。(D) 4D 打印的概念验证装置。

△水下拉伸试验（左）和三点弯曲试验（右）的机械测试装置。

研究发现，降解速率与暴露表面积与体积之比相关，而非与填充模式相关。表面积较大的样本降解速度更快，遵循指数衰减曲线，这使得研究人员能够预测其随时间的变化趋势。研究团队利用Python开发了计算机视觉算法，通过连续成像来追踪降解过程。PETG展现出优异的弹性储能能力，但浸水会加速应力松弛。PETG聚合物在浸没条件下保持结构完整性，同时表现出粘弹性行为，研究人员使用Prony级数方程对其进行了量化。

研究人员设计了一种受减震器启发的装置，集成了PETG螺旋弹簧和PVA蛇形弹簧结构。随着PVA组分在水中降解，它逐渐释放了对压缩PETG弹簧的机械约束，从而在222分钟内实现了可控的形状转变。