具有電容器邊緣效應的水凝膠3D打印

供稿人:尚振濤、田小永

近幾十年來，用于細胞培養(yǎng)、組織工程、軟機器人和離子裝置的水凝膠應用有巨大發(fā)展。現(xiàn)有的水凝膠3D打印技術對水凝膠前驅(qū)體以及打印的水凝膠結(jié)構(gòu)的物理和化學性質(zhì)有相當大的限制。

西安交通大學王鐵軍團隊提出了一種利用電容器邊緣效應對分辨率為100μm的水凝膠液圖案化的新方法(patterning liquids with the capacitor edge effect, PLEEC)，結(jié)合圖案和堆疊工藝建立了完整的水凝膠3D打印系統(tǒng)。圖1是該技術的原理示意圖，利用電容邊緣效應時，可以產(chǎn)生具有許多不同性質(zhì)的水凝膠，通過各種機制對材料進行交聯(lián)固化，克服了現(xiàn)有技術的局限性。

圖1 PLEEC原理：非對稱電容器由介電層隔開

圖2展示了二維水凝膠前體圖案的聚合和逐層堆疊成3D結(jié)構(gòu)的過程，在實驗中，液體圖案化的時間約為10s，聚合時間約為102s，這幾乎與現(xiàn)有的數(shù)字光處理光固化3D打印技術（DLP）速度相當，具有較高的成形效率。

圖2 PLEEC的水凝膠打印過程（A、B）圖案化的過程（C）水凝膠聚合過程（D）打印重置過程

研究人員設計了水凝膠3D打印系統(tǒng)，由7個部分組成：機械模塊，PLEEC面板，溶液添加單元，固化平臺，固化單元，電源和控制模塊，如圖3。

圖3 PLEEC水凝膠3D打印系統(tǒng)（A）系統(tǒng)原理圖（B）打印系統(tǒng)照片

研究人員使用x、y方向上各自的三個線成形像素打印水凝膠結(jié)構(gòu)，將兩個方向上的水凝膠溶液線聚合并交替堆疊以形成支架結(jié)構(gòu)的水凝膠固體，打印出各種類型的結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 圖4 PLEEC系統(tǒng)打印的水凝膠結(jié)構(gòu)（A）腳手架結(jié)構(gòu)（B）（C）可變形手形水凝膠復合材料（D）彈性LED導電帶（E）軟體LED顯示設備

該技術可以打印具有不同物理或化學性質(zhì)的各種水凝膠，能夠?qū)⒍喾N水凝膠材料結(jié)構(gòu)化以形成水凝膠復合材料，實現(xiàn)了水凝膠支架、溫度敏感水凝膠復合材料和高完整性離子水凝膠顯示裝置等的3D打印，為使用多材料組分和復雜幾何結(jié)構(gòu)的水凝膠快速成形提供了新手段。

參考文獻：
Wang J, Lu T, Yang M, et al. Hydrogel 3D printing with the capacitor edge effect[J]. Science advances, 2019, 5(3): eaau8769.

供稿人:尚振濤、田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室