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建物理對象，而不是通過傳統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。
相比于傳統加工技術，3D打印可免去制作模具的成本與周期，實現快速、高效的實體生產，以及擁有不斷試錯調整的可能性。創造性、定制化和快速原型制造的能力使其在制造、醫療、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，實現精確和穩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業、生物醫用產業、智能傳感及軟體機器人產業實現數字化、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。
一種雙連續導電聚合物水凝膠，它在生理環境中同時實現了高導電性(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。
選擇適當的水凝膠墨水，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下一層的固化。
熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling，FDM）
在FDM中，水凝膠絲材料通過熱噴嘴加熱至熔化狀態，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，不僅僅將在刊物中發光發彩，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
相比于傳統加工技術，3D打印可免去制作模具的成本與周期，實現快速、高效的實體生產，以及擁有不斷試錯調整的可能性。創造性、定制化和快速原型制造的能力使其在制造、醫療、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，實現精確和穩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業、生物醫用產業、智能傳感及軟體機器人產業實現數字化、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。
一種雙連續導電聚合物水凝膠，它在生理環境中同時實現了高導電性(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 雙連續導電聚合物水凝膠(BC-CPH)的設計與實現
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。
選擇適當的水凝膠墨水，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下一層的固化。
熔融沉積建模（Fused Deposition Modeling，FDM）
在FDM中，水凝膠絲材料通過熱噴嘴加熱至熔化狀態，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，不僅僅將在刊物中發光發彩，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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