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              中科院化學所《Adv. Mater.》:消除3D打印臺階效應,制備高精度隱形眼鏡結(jié)構(gòu)

              科研前沿
              2021
              11/05
              21:34
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              來源:高分子科技

              隱形眼鏡傳統(tǒng)的制備方法涉及復雜且耗時的多種步驟及拋光工藝。近年來,各種3D打印技術,如熔融沉積3D打印(FDM)、墨水直寫打印(DIW)及基于UV固化的3D打?。⊿LA,DLP)已被應用于各種光學結(jié)構(gòu)的制備。在這些方法中,使用樹脂液滴的3D打印策略,包括噴墨打印及液滴內(nèi)UV固化的打印技術,由于其可按需制備3D結(jié)構(gòu)且可操作性強,因而受到廣泛關注。然而,由于傳統(tǒng)的逐點或逐層增材制造模式不可避免地會產(chǎn)生臺階效應,這限制了垂直打印的精度,使得打印結(jié)構(gòu)性質(zhì)各向異性。盡管雙光子聚合打印技術(TPP)可提高表面光滑度,但由于其效率低和設備復雜,難以滿足實際應用需要。因此,減少臺階效應和實現(xiàn)高精度對于3D打印技術在光學結(jié)構(gòu)中的應用具有重要意義。

              針對逐層打印中的臺階效應,宋延林研究員團隊提出了一種基于數(shù)字光處理(DLP)技術的連續(xù)液膜限制的3D打印策略,實現(xiàn)了高精度3D結(jié)構(gòu)的制備。在液-固界面的約束及連續(xù)打印模式下,附著在固化結(jié)構(gòu)上的液體樹脂被吸進固化層結(jié)構(gòu)中,同時掉附著在固化結(jié)構(gòu)上的多余樹脂被刮除,消除了臺階效應,避免了后清洗步驟,確保了打印保真性。除此之外,還抑制了連續(xù)打印過程中的熱累積及熱擴散,確保了打印穩(wěn)定性?;谠摬呗钥芍苽涑鲋行暮穸燃s為135 μm的厘米級隱形眼鏡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有極高的光滑度(粗糙度小于1.3 nm)、均勻的機械性能、高生物相容性以及優(yōu)異的光學性質(zhì),其透光性及成像分辨率高達96%和228.1 lp/mm。

              圖1. 紫外可固化硅水凝膠樹脂系統(tǒng)及連續(xù)液膜限制的3D打印過程的示意圖

              硅水凝膠由于其合適的含水量和透氧性被廣泛應用于隱形眼鏡結(jié)構(gòu)的制備。該團隊開發(fā)了一種可用于DLP 3D打印的紫外可固化硅水凝膠樹脂系統(tǒng)用于隱形眼鏡結(jié)構(gòu)的制備(圖1a)。在連續(xù)打印過程中,固化結(jié)構(gòu)始終受到液體樹脂和固化結(jié)構(gòu)界面的限制,這使得薄液體樹脂膜包裹在固化結(jié)構(gòu)外。通過對受限液膜的控制,可以在不過度包覆的情況下填充相鄰固化層之間的間隙,消除階梯效應,獲得側(cè)壁光滑的三維結(jié)構(gòu)(圖1b)。

              圖2. 連續(xù)液膜限制的3D打印策略下的臺階效應消除機理

              臺階效應的消除是通過控制固化結(jié)構(gòu)外粘附液膜的覆蓋方式(吸入、填充及刮除)實現(xiàn)的。由于3D打印過程中的潤濕行為和毛細現(xiàn)象,包覆在打印結(jié)構(gòu)上的液膜無處不在,該團隊利用這些通常被沖洗掉的樹脂作為過渡層來消除臺階效應。如圖2所示,在連續(xù)打印過程中,通過協(xié)同調(diào)控樹脂黏度和液滴直徑,可以很好地控制粘附液膜的尺寸和形貌,使得液膜厚度可控,從而在消除臺階效應、打印出具有光滑側(cè)壁的3D結(jié)構(gòu)的同時,還確保了打印的高保真度。此外,該連續(xù)液膜限制的3D打印策略還抑制了熱積累和熱擴散,確保了長時間打印的穩(wěn)定性。

              圖3. 3D打印隱形眼鏡結(jié)構(gòu)及其性能表征

              如圖3a所示,隨著支撐板的連續(xù)提升,可得到具有光滑側(cè)壁的隱形眼鏡結(jié)構(gòu)。該溶脹的隱形眼鏡結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的光學性質(zhì),其成像分辨率和透光性高達228.1 lp/mm和96% (圖3b-c)。對從不同角度打印的啞鈴狀結(jié)構(gòu)進行機械性能表征,由圖3d可知,溶脹的啞鈴狀結(jié)構(gòu)具有各向同性的機械性能,無方向依賴性,進一步說明臺階效應的消除。同時,該溶脹的隱形眼鏡具有適宜的平衡含水量和透氧量(圖3e),且溶脹結(jié)構(gòu)本身和浸漬液均無細胞毒性和具有低細胞粘附特性(圖3f-g),表明其能夠滿足實際應用的生物相容性要求。

              該工作以“Suppressing Step Effect of 3D Printing for Constructing Contact Lens”為題發(fā)表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202107249)上。論文的第一作者為中科院化學所博士生張虞,通訊作者為宋延林研究員,共同通訊作者為中科院化學所吳磊副研究員。該項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、北京分子科學國家研究中心的支持。

              論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107249


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