中科院、西北民族大學(xué)《AM》：二甲基亞砜介導(dǎo)的高保真水凝膠3D打印(2)
時間：2024-08-24 09:54 來源：GK綠鑰生物科技 作者：admin 閱讀：次
為了研究凝膠的抗脫水機理，系統(tǒng)地考察了不同溶劑配比下打印凝膠的溶劑蒸發(fā)行為（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，隨著DMSO含量的增加，抗脫水性能顯著改善。尤其是在空氣中暴露48小時后，含有較高比例DMSO的凝膠表現(xiàn)出較低的蒸發(fā)率，從而確保3D打印過程中結(jié)構(gòu)的高保真度和精度。此外，流變測試表明DMSO的加入不僅提高了凝膠的抗脫水性能，還提升了其機械性能和溫度響應(yīng)性能。
圖3 還原光聚合3D打印凝膠的抗脫水性能
為了觀察3D打印過程中水凝膠因水分蒸發(fā)導(dǎo)致的形狀變化，設(shè)計并制造了一個圓錐陣列結(jié)構(gòu)（圖4）。研究發(fā)現(xiàn)，使用純水溶劑的水凝膠在暴露1小時后開始變形，5小時后發(fā)生顯著收縮，導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)變形。而含有DMSO的水凝膠在暴露5小時后能夠保持其形狀，表明DMSO的加入改善了水凝膠的抗脫水性能，但過高的DMSO濃度可能會影響水凝膠的制造性能。最終確定了DMSO:H2O=3:7的溶劑比例在3D打印中具有最佳的制造性能、出色的抗脫水性能和高保真度。
圖4 圓錐陣列結(jié)構(gòu)暴露在空氣中不同時間的照片
通過將凝膠浸泡在金屬離子溶液中并進行去離子水透析，成功轉(zhuǎn)化為具有高含水量的水凝膠。不同溶劑比例的水凝膠含水量超過70%，這種高含水量的水凝膠在生物醫(yī)學(xué)和深海智能設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過金屬離子配位和水透析過程，大大增強了水凝膠的機械性能。實驗表明，單純化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的凝膠機械性能較差，但通過金屬離子配位策略改善了這些性能，得到了一種新的R-水凝膠，其抗拉強度和楊氏模量顯著提高。這歸因于R-水凝膠通過金屬離子配位形成了物理化學(xué)雙重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（圖5）。
圖5 凝膠和R-水凝膠的結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能。
通過控制溶劑交換和水溶液平衡，實現(xiàn)了從凝膠到水凝膠的轉(zhuǎn)變，最終構(gòu)建的水凝膠模型在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造中表現(xiàn)出卓越的尺寸精度和保真度。此外，通過溶劑替代和去離子水透析制備的R-水凝膠在水中30天內(nèi)的尺寸變化可忽略不計，展現(xiàn)了極高的穩(wěn)定性（圖6）。
圖6 還原光聚合3D打印水凝膠的高保真結(jié)構(gòu)構(gòu)造演示
水凝膠的優(yōu)異的保真度為設(shè)計和制造復(fù)雜的水凝膠設(shè)備提供了新可能，尤其在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。通過細(xì)胞毒性測試證實了水凝膠在人體生理環(huán)境中的潛在應(yīng)用價值，表現(xiàn)出良好的生物相容性。控制不同金屬離子和單體類型，可以制造出具有優(yōu)良尺寸精度和保真度的水凝膠結(jié)構(gòu)，為水凝膠在生物醫(yī)學(xué)、組織工程、軟體機器人和仿生粘附裝置等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的可能性（圖7）。
圖7 還原光聚合3D打印水凝膠的高保真結(jié)構(gòu)構(gòu)造演示
結(jié)論：本文開發(fā)了一種通過溶劑調(diào)節(jié)和水透析實現(xiàn)高保真度光聚合3D打印水凝膠的新策略。利用DMSO的強氫鍵作用，凝膠在3D打印過程中展現(xiàn)出優(yōu)異的抗干燥和抗凍性能，并轉(zhuǎn)化為具有良好保真度和機械性能的水凝膠。此外，通過調(diào)整離子配位和水透析時間，可以調(diào)節(jié)水凝膠的機械性能，為定制化功能設(shè)備的制備提供了支持。這一策略適用于多種水凝膠系統(tǒng)，拓寬了其在生物醫(yī)學(xué)、水下機器人、柔性皮膚等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
文章來源：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104346
(責(zé)任編輯：admin)
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