中科院、西北民族大學《AM》：二甲基亞砜介導的高保真水凝膠3D打印
時間：2024-08-24 09:54 來源：GK綠鑰生物科技 作者：admin 閱讀：次
中國科學院蘭州化學物理研究所王曉龍研究員團隊聯合西北民族大學化學工程學院孫初鋒團隊在《Additive
Manufacturing》期刊發表文章“Dimethyl sulfoxide mediated high-fidelity 3D
printing of
hydrogels”，由于靈活的結構設計和快速原型制造，具有固體和流體特性的3D打印水凝膠已成為生物醫學工程，軟機器人和柔性電子產品的有前途的候選者。然而，現有的水凝膠3D打印技術由于水蒸發引起的形狀變形和坍塌，嚴重限制了水凝膠復合結構的高保真度。為了解決以上問題，本文提出了一種混合溶劑打印策略，然后進行水透析，通過抑制水蒸發來實現高保真水凝膠結構的還原光聚合3D打印。具體而言，將二甲基亞砜(DMSO)作為助溶劑引入水凝膠油墨中，以提高3D打印過程中的抗脫水性能。然后通過溶劑交換和水透析將制備的凝膠轉化為保真度高、性能優良的水凝膠。在這些特性的支持下，各種具有復雜結構的功能器件通過目前各種水凝膠的高保真3D打印進行了演示。溶劑輔助高保真水凝膠3D打印方案結合了對各種高性能水凝膠的兼容性，被認為是可穿戴設備，傷口敷料，電子皮膚和智能機器人的前景廣闊。
WHAT—DMSO在3D打印水凝膠中的主要作用是什么？
1、提高抗脫水性能：DMSO作為共溶劑的引入顯著改善了水凝膠在3D打印過程中的抗脫水能力，從而減少了水分蒸發導致的收縮和變形。
2、優化溶劑比例：通過調節DMSO與水的比例，可以實現優異的抗干燥性能，確保水凝膠在打印過程中的高保真度和精確度。
3、保持結構穩定性：在打印過程中，DMSO的加入使得水凝膠在室溫下能夠在經過5小時后仍保持其形狀，避免了打印結構的變形。
4、改善物理性能：DMSO的存在有助于形成高保真度的水凝膠，并賦予其良好的機械性能，這對于制作復雜結構和多功能設備至關重要。
WHY—為什么需要對打印后的水凝膠進行金屬鹽溶液交換和透析處理?
1、去除DMSO：在3D打印過程中，DMSO作為共溶劑的引入可以改善水凝膠的抗脫水性能，但打印完成后，需要通過金屬鹽溶液交換和透析去除DMSO，以防止其對水凝膠性能的負面影響。
2、改善機械性能：金屬鹽的引入能夠通過提高水凝膠的結構穩定性和增強其機械性能，特別是通過調節Zr4+的羧酸鹽配位程度，從而有效改善水凝膠的強度和韌性。
3、降低收縮和變形：在打印過程中，水分蒸發會導致水凝膠的尺寸收縮和結構變形。通過透析處理，可以在去除多余的有機溶劑的同時，保持水凝膠的水分含量，從而減小收縮和變形的風險，提高打印的精確度和成品的穩定性。
4、調節局部pH：透析過程中，水凝膠的局部pH會從酸性調節至中性，這一變化有助于提高水凝膠的整體性能，使其在應用中表現更為優越。
HOW—開發一種通過溶劑調節和水透析實現高保真度光聚合3D打印水凝膠。
本文通過利用二甲基亞砜（DMSO）和水之間的液體平衡來控制有機溶液與水溶液比例，從而開發出一種提高3D打印水凝膠打印精度的新策略（圖1）。DMSO與水的氫鍵作用減少了水的蒸發，從而抑制了水凝膠在光聚合3D打印過程中水分流失導致的收縮和結構變形。通過將二元DMSO-H2O溶劑引入到光聚合凝膠墨水中，并利用鋯離子（Zr4+）的金屬配位作用增強水凝膠的機械性能，最終獲得了一種具有優異機械性能和尺寸穩定性的高保真水凝膠。
影響還原光聚合3D打印水凝膠保真度的兩個主要因素：短時間內制造的結構精度（幾乎不受水分蒸發影響）和長時間制造的結構精度（受水分蒸發導致的結構變形影響）。研究表明，利用DMSO和水的二元溶劑系統可以減少水分蒸發，從而提高打印保真度。實驗結果表明，含有30%和50%DMSO的凝膠在打印過程中表現出較好的保真度，盡管較小尺寸的結構由于表面張力和光聚合特性仍會有一定的收縮。總體而言，DMSO衍生的凝膠在3D打印過程中展現出了優異的保真度（圖2）。
WHAT—DMSO在3D打印水凝膠中的主要作用是什么？
1、提高抗脫水性能：DMSO作為共溶劑的引入顯著改善了水凝膠在3D打印過程中的抗脫水能力，從而減少了水分蒸發導致的收縮和變形。
2、優化溶劑比例：通過調節DMSO與水的比例，可以實現優異的抗干燥性能，確保水凝膠在打印過程中的高保真度和精確度。
3、保持結構穩定性：在打印過程中，DMSO的加入使得水凝膠在室溫下能夠在經過5小時后仍保持其形狀，避免了打印結構的變形。
4、改善物理性能：DMSO的存在有助于形成高保真度的水凝膠，并賦予其良好的機械性能，這對于制作復雜結構和多功能設備至關重要。
WHY—為什么需要對打印后的水凝膠進行金屬鹽溶液交換和透析處理?
1、去除DMSO：在3D打印過程中，DMSO作為共溶劑的引入可以改善水凝膠的抗脫水性能，但打印完成后，需要通過金屬鹽溶液交換和透析去除DMSO，以防止其對水凝膠性能的負面影響。
2、改善機械性能：金屬鹽的引入能夠通過提高水凝膠的結構穩定性和增強其機械性能，特別是通過調節Zr4+的羧酸鹽配位程度，從而有效改善水凝膠的強度和韌性。
3、降低收縮和變形：在打印過程中，水分蒸發會導致水凝膠的尺寸收縮和結構變形。通過透析處理，可以在去除多余的有機溶劑的同時，保持水凝膠的水分含量，從而減小收縮和變形的風險，提高打印的精確度和成品的穩定性。
4、調節局部pH：透析過程中，水凝膠的局部pH會從酸性調節至中性，這一變化有助于提高水凝膠的整體性能，使其在應用中表現更為優越。
HOW—開發一種通過溶劑調節和水透析實現高保真度光聚合3D打印水凝膠。
本文通過利用二甲基亞砜（DMSO）和水之間的液體平衡來控制有機溶液與水溶液比例，從而開發出一種提高3D打印水凝膠打印精度的新策略（圖1）。DMSO與水的氫鍵作用減少了水的蒸發，從而抑制了水凝膠在光聚合3D打印過程中水分流失導致的收縮和結構變形。通過將二元DMSO-H2O溶劑引入到光聚合凝膠墨水中，并利用鋯離子（Zr4+）的金屬配位作用增強水凝膠的機械性能，最終獲得了一種具有優異機械性能和尺寸穩定性的高保真水凝膠。
圖1 高保真還原光聚合3D打印水凝膠的設計與構建
影響還原光聚合3D打印水凝膠保真度的兩個主要因素：短時間內制造的結構精度（幾乎不受水分蒸發影響）和長時間制造的結構精度（受水分蒸發導致的結構變形影響）。研究表明，利用DMSO和水的二元溶劑系統可以減少水分蒸發，從而提高打印保真度。實驗結果表明，含有30%和50%DMSO的凝膠在打印過程中表現出較好的保真度，盡管較小尺寸的結構由于表面張力和光聚合特性仍會有一定的收縮。總體而言，DMSO衍生的凝膠在3D打印過程中展現出了優異的保真度（圖2）。
圖2 還原光聚合3D打印凝膠的保真度
(責任編輯：admin)
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