一文了解3D打印水凝膠
時間：2023-11-14 14:22 來源： 高分子物理學 作者：admin 閱讀：次
3D打印是一種快速原型制造技術，也被稱為增材制造（Additive
Manufacturing，AM），它是一種“自下而上”的制造方法，允許通過逐層堆疊材料來創(chuàng)建物理對象，而不是通過傳統(tǒng)的切削或去除材料的方式。使用計算機輔助設計（CAD）軟件構建模型并切片分層后可利用3d打印機進行逐層打印堆疊，獲得實體。
相比于傳統(tǒng)加工技術，3D打印可免去制作模具的成本與周期，實現(xiàn)快速、高效的實體生產(chǎn)，以及擁有不斷試錯調整的可能性。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、教育和許多其他領域中都有廣泛應用。
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，類似于生物組織的性質，因此它們在生物醫(yī)學和生物工程領域非常有用。
哈佛大學Wyss仿生工程研究所的Kevin Kit Parker團隊在《Fibre-infused gel scaffolds guide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles
》一文中，使用了一種含有預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，控制溶膠-凝膠轉變，實現(xiàn)精確和穩(wěn)定的打印過程打印出了一個具有仿生結構和功能的心室體外模型。
因其能夠精細化制造堅韌水凝膠結構,有望為食品及其包裝產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)用產(chǎn)業(yè)、智能傳感及軟體機器人產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化提供可能。在《Science》和《Nature》等刊物上也常常可見相關的研究成果。
一種雙連續(xù)導電聚合物水凝膠，它在生理環(huán)境中同時實現(xiàn)了高導電性(over 11 S cm-1)、可拉伸性(超過400%)和斷裂韌性(J m-2以上)，并且易于應用于包括3D打印在內的先進制造方法。
成型方法
以上為常見的3D打印技術，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打印（Inkjet 3D Printing）
噴墨式3D打印與常見的噴墨打印類似，但使用的墨水是水凝膠的預混物。打印頭通過噴射小液滴，將水凝膠逐層堆積在打印平臺上。
選擇適當?shù)乃z墨水，然后使用噴墨式3D打印機進行打印。打印機控制打印頭的移動和噴射以創(chuàng)建所需的三維結構。
光固化3D打印（Stereolithography，SLA）
在光固化3D打印中，光敏的水凝膠預聚物或樹脂被照射以使其固化。這通常通過紫外線（UV）光源完成。
一般將水凝膠樹脂裝入3D打印機的打印槽中，然后使用UV光源逐層固化所需的結構。打印臺會逐漸向上移動，以建立完整的3D對象。
激光誘導打印（Laser-Induced Printing）
激光誘導打印使用激光束將水凝膠粉末局部熔化和固化，以創(chuàng)建所需的結構。
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行熔化和固化。隨著每一層的完成，打印臺會逐漸上升并繼續(xù)下一層的固化。
熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）
在FDM中，水凝膠絲材料通過熱噴嘴加熱至熔化狀態(tài)，然后通過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打印機進行打印。打印機通過控制噴嘴的移動和溫度來創(chuàng)建所需的結構。
總結
3D打印水凝膠憑借其獨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，也勢必將對我們的生活造成更加廣泛的影響，從航空航天到醫(yī)用領域。而對其的應用于研究將會不斷延伸，橫跨多個尺度于領域，結合無機材料、金屬材料、生物學，朝著智能化、綠色化、多功能化發(fā)展。
參考文獻：
[1]陳兆奇,韓平,王照等.陶瓷3D打印技術研究與展望[J].佛山陶瓷,2023,33(06):5-10+17.
[2]張妍. 3D打印用多重交聯(lián)水凝膠墨水研究[D].西安理工大學,2023.DOI:10.27398/d.cnki.gxalu.2023.001408.
[3]Choi, S., Lee, K.Y., Kim, S.L. et al. Fibre-infused gel scaffolds guide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles. Nat. Mater. 22, 1039–1046 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01611-3
[4]Zhou, T., Yuk, H., Hu, F. et al. 3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces. Nat. Mater. 22, 895–902 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01569-2
[5]Lisheng Zhu, Youjie Rong, Yueyue Wang, Qingbo Bao, Jian An, Di Huang, Xiaobo Huang,
DLP printing of tough organogels for customized wearable sensors,
European Polymer Journal,Volume 187,2023,111886,ISSN 0014-3057,https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2023.111886.
[6]C. Bassand, L. Benabed, S. Charlon, J. Verin, J. Freitag, F. Siepmann, J. Soulestin, J. Siepmann,3D printed PLGA implants: APF DDM vs. FDM,Journal of Controlled Release,Volume 353,2023,Pages 864-874,ISSN 0168-3659,https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2022.11.052.
[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，3D打印可免去制作模具的成本與周期，實現(xiàn)快速、高效的實體生產(chǎn)，以及擁有不斷試錯調整的可能性。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、教育和許多其他領域中都有廣泛應用。
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，類似于生物組織的性質，因此它們在生物醫(yī)學和生物工程領域非常有用。
哈佛大學Wyss仿生工程研究所的Kevin Kit Parker團隊在《Fibre-infused gel scaffolds guide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles
》一文中，使用了一種含有預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，控制溶膠-凝膠轉變，實現(xiàn)精確和穩(wěn)定的打印過程打印出了一個具有仿生結構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胞內和細胞間組織
因其能夠精細化制造堅韌水凝膠結構,有望為食品及其包裝產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)用產(chǎn)業(yè)、智能傳感及軟體機器人產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化提供可能。在《Science》和《Nature》等刊物上也常常可見相關的研究成果。
一種雙連續(xù)導電聚合物水凝膠，它在生理環(huán)境中同時實現(xiàn)了高導電性(over 11 S cm-1)、可拉伸性(超過400%)和斷裂韌性(J m-2以上)，并且易于應用于包括3D打印在內的先進制造方法。
Nature Materials volume 22, pages895–902 (2023)
圖4 雙連續(xù)導電聚合物水凝膠(BC-CPH)的設計與實現(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
以上為常見的3D打印技術，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打印（Inkjet 3D Printing）
噴墨式3D打印與常見的噴墨打印類似，但使用的墨水是水凝膠的預混物。打印頭通過噴射小液滴，將水凝膠逐層堆積在打印平臺上。
選擇適當?shù)乃z墨水，然后使用噴墨式3D打印機進行打印。打印機控制打印頭的移動和噴射以創(chuàng)建所需的三維結構。
光固化3D打印（Stereolithography，SLA）
在光固化3D打印中，光敏的水凝膠預聚物或樹脂被照射以使其固化。這通常通過紫外線（UV）光源完成。
一般將水凝膠樹脂裝入3D打印機的打印槽中，然后使用UV光源逐層固化所需的結構。打印臺會逐漸向上移動，以建立完整的3D對象。
Nature Materials volume 22, pages895–902 (2023)
圖6 使用商用DLP打印機快速自下而上地制造PNE有機凝膠
激光誘導打印（Laser-Induced Printing）
激光誘導打印使用激光束將水凝膠粉末局部熔化和固化，以創(chuàng)建所需的結構。
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行熔化和固化。隨著每一層的完成，打印臺會逐漸上升并繼續(xù)下一層的固化。
熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）
在FDM中，水凝膠絲材料通過熱噴嘴加熱至熔化狀態(tài)，然后通過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打印機進行打印。打印機通過控制噴嘴的移動和溫度來創(chuàng)建所需的結構。
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
3D打印水凝膠憑借其獨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，也勢必將對我們的生活造成更加廣泛的影響，從航空航天到醫(yī)用領域。而對其的應用于研究將會不斷延伸，橫跨多個尺度于領域，結合無機材料、金屬材料、生物學，朝著智能化、綠色化、多功能化發(fā)展。
參考文獻：
[1]陳兆奇,韓平,王照等.陶瓷3D打印技術研究與展望[J].佛山陶瓷,2023,33(06):5-10+17.
[2]張妍. 3D打印用多重交聯(lián)水凝膠墨水研究[D].西安理工大學,2023.DOI:10.27398/d.cnki.gxalu.2023.001408.
[3]Choi, S., Lee, K.Y., Kim, S.L. et al. Fibre-infused gel scaffolds guide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles. Nat. Mater. 22, 1039–1046 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01611-3
[4]Zhou, T., Yuk, H., Hu, F. et al. 3D printable high-performance conducting polymer hydrogel for all-hydrogel bioelectronic interfaces. Nat. Mater. 22, 895–902 (2023). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01569-2
[5]Lisheng Zhu, Youjie Rong, Yueyue Wang, Qingbo Bao, Jian An, Di Huang, Xiaobo Huang,
DLP printing of tough organogels for customized wearable sensors,
European Polymer Journal,Volume 187,2023,111886,ISSN 0014-3057,https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2023.111886.
[6]C. Bassand, L. Benabed, S. Charlon, J. Verin, J. Freitag, F. Siepmann, J. Soulestin, J. Siepmann,3D printed PLGA implants: APF DDM vs. FDM,Journal of Controlled Release,Volume 353,2023,Pages 864-874,ISSN 0168-3659,https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2022.11.052.
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