利用光固化打印犧牲模具實現水凝膠異質結構的澆筑制造

來源：EngineeringForLife

近期，來自University of California的Peter Tseng團隊提出了一種3D打印可調結構和功能的可編程水凝膠策略，該研究通過利用投影式光固化制造高分辨率樹脂模具，并使用水凝膠進行澆筑和固化，然后犧牲模具以制造出具有定制化的異質性多功能水凝膠結構。相關論文“Fluidic Infiltrative Assembly of 3D Hydrogel with Heterogeneous Composition and Function”發(fā)表在“Advanced Functional Materials”雜志上。

水凝膠異質結構的制造過程主要分為兩個部分：（1）利用光敏樹脂進行模具的制造；（2）向制造出的模具中注入水凝膠材料并進行原位光固化。隨后通過使用溶解劑使模具溶解，得到具有異質性的水凝膠結構（圖1）。為了確保制造出的樹脂模具正常溶解以及水凝膠結構的維持，該研究選用類商業(yè)ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）樹脂打印犧牲模具，六氟異丙醇（HFIP）作為樹脂溶解劑，同時測試了聚丙烯酰胺(PAAm)、聚（正異丙基丙烯酰胺）(PNIPAAm)和海藻酸鈣(Ca-ALG)三種水凝膠的性能。

圖1 3D水凝膠的流體滲透組裝

在實驗過程中，研究人員通過控制水凝膠溶液澆筑過程中的流速、澆筑體積、擴散時間和凝膠化速率對水凝膠結構進行了定制化構建（圖2）。

圖2 水凝膠成分的可編程流體編碼

為了評估犧牲釋放步驟對水凝膠性能的影響，研究人員通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和拉伸實驗證實了HFIP對PAAm、Ca-ALG水凝膠的力學性能無影響，但會增強PNIPAAm水凝膠的熱刺激敏感性（圖3）。

圖3 具有可編程行為異質性的水凝膠

最后，研究人員通過打印多種三維結構模具進行澆筑，展示了結構可調性、材料選擇和幾何約束之間的協同作用，并利用該方法實現了功能性多材料結構（圖4）。

圖4 具有可編程形式和3D功能的水凝膠的滲透組裝

綜上所述，該研究提出了一種集成了犧牲模具與澆筑成型策略相結合的方法，該方法可制造出具有異質性的水凝膠結構。其與眾多光固化聚合物和改性劑兼容，在未來或將成為具有接近或超過自然物質特性的異質結構制造方法。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103288