一文了解3D打印水凝膠

來(lái)源： 高分子物理學(xué)

3D打印是一種快速原型制造技術(shù)，也被稱(chēng)為增材制造（Additive Manufacturing，AM），它是一種“自下而上”的制造方法，允許通過(guò)逐層堆疊材料來(lái)創(chuàng)建物理對(duì)象，而不是通過(guò)傳統(tǒng)的切削或去除材料的方式。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件構(gòu)建模型并切片分層后可利用3d打印機(jī)進(jìn)行逐層打印堆疊，獲得實(shí)體。

[J].佛山陶瓷,2023,33(06):5-10+17.

圖1 3D打印工藝流程示意圖

相比于傳統(tǒng)加工技術(shù)，3D打印可免去制作模具的成本與周期，實(shí)現(xiàn)快速、高效的實(shí)體生產(chǎn)，以及擁有不斷試錯(cuò)調(diào)整的可能性。創(chuàng)造性、定制化和快速原型制造的能力使其在制造、醫(yī)療、航空航天、教育和許多其他領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。

3D打印 水凝膠  
3D打印水凝膠作為一種新型增材制造產(chǎn)品,水凝膠是一種水基的高分子凝膠，具有高水含量，類(lèi)似于生物組織的性質(zhì)，因此它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)和生物工程領(lǐng)域非常有用。

哈佛大學(xué)Wyss仿生工程研究所的Kevin Kit Parker團(tuán)隊(duì)在《Fibre-infused gel scaffolds guide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles

》一文中，使用了一種含有預(yù)制明膠纖維的水凝膠墨水（FIG（Fibrillar Interconnected Gel），含明膠、甘油、氯化鈉、硼酸和氫氧化鈉），利用其流變可調(diào)，控制溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)精確和穩(wěn)定的打印過(guò)程打印出了一個(gè)具有仿生結(jié)構(gòu)和功能的心室體外模型。

Nat. Mater. 22, 1039–1046 (2023).

圖2 水凝膠打印支架上培養(yǎng)的心臟組織的各向異性細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間組織

因其能夠精細(xì)化制造堅(jiān)韌水凝膠結(jié)構(gòu),有望為食品及其包裝產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)用產(chǎn)業(yè)、智能傳感及軟體機(jī)器人產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化提供可能。在《Science》和《Nature》等刊物上也常?？梢?jiàn)相關(guān)的研究成果。

一種雙連續(xù)導(dǎo)電聚合物水凝膠，它在生理環(huán)境中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)電性(over 11 S cm-1)、可拉伸性(超過(guò)400%)和斷裂韌性(J m-2以上)，并且易于應(yīng)用于包括3D打印在內(nèi)的先進(jìn)制造方法。

Nature Materials volume 22, pages895–902 (2023)

圖4 雙連續(xù)導(dǎo)電聚合物水凝膠(BC-CPH)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

成型方法

[J].佛山陶瓷,2023,33(06):5-10+17.

圖5 常用3D打印技術(shù)

以上為常見(jiàn)的3D打印技術(shù)，然而，考慮到水凝膠系列材料通常水含量高，且3D打印水凝膠的原理和方法根據(jù)材料類(lèi)型而有所變化。下述為一些3D打印水凝膠的常用方法。

噴墨式3D打?。↖nkjet 3D Printing）
噴墨式3D打印與常見(jiàn)的噴墨打印類(lèi)似，但使用的墨水是水凝膠的預(yù)混物。打印頭通過(guò)噴射小液滴，將水凝膠逐層堆積在打印平臺(tái)上。

選擇適當(dāng)?shù)乃z墨水，然后使用噴墨式3D打印機(jī)進(jìn)行打印。打印機(jī)控制打印頭的移動(dòng)和噴射以創(chuàng)建所需的三維結(jié)構(gòu)。

光固化3D打印（Stereolithography，SLA）
在光固化3D打印中，光敏的水凝膠預(yù)聚物或樹(shù)脂被照射以使其固化。這通常通過(guò)紫外線（UV）光源完成。

一般將水凝膠樹(shù)脂裝入3D打印機(jī)的打印槽中，然后使用UV光源逐層固化所需的結(jié)構(gòu)。打印臺(tái)會(huì)逐漸向上移動(dòng)，以建立完整的3D對(duì)象。

Nature Materials volume 22, pages895–902 (2023)

圖6 使用商用DLP打印機(jī)快速自下而上地制造PNE有機(jī)凝膠

激光誘導(dǎo)打?。↙aser-Induced Printing）
激光誘導(dǎo)打印使用激光束將水凝膠粉末局部熔化和固化，以創(chuàng)建所需的結(jié)構(gòu)。

首先，涂覆水凝膠粉末層，然后使用激光束逐層掃描粉末以進(jìn)行熔化和固化。隨著每一層的完成，打印臺(tái)會(huì)逐漸上升并繼續(xù)下一層的固化。

熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）
在FDM中，水凝膠絲材料通過(guò)熱噴嘴加熱至熔化狀態(tài)，然后通過(guò)噴嘴逐層擠出并堆積，最終冷卻固化。

選用適合的水凝膠絲材料，然后使用FDM 3D打印機(jī)進(jìn)行打印。打印機(jī)通過(guò)控制噴嘴的移動(dòng)和溫度來(lái)創(chuàng)建所需的結(jié)構(gòu)。

Journal of Controlled Release.Volume 353, January 2023, Pages 864-874

圖7  Arburg塑料 熔融沉積建模 （FDM ）

總結(jié)
3D打印水凝膠憑借其獨(dú)特的性能以及邊界的生產(chǎn)，不僅僅將在刊物中發(fā)光發(fā)彩，也勢(shì)必將對(duì)我們的生活造成更加廣泛的影響，從航空航天到醫(yī)用領(lǐng)域。而對(duì)其的應(yīng)用于研究將會(huì)不斷延伸，橫跨多個(gè)尺度于領(lǐng)域，結(jié)合無(wú)機(jī)材料、金屬材料、生物學(xué)，朝著智能化、綠色化、多功能化發(fā)展。

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