具有电容器边缘效应的水凝胶3D打印

供稿人:尚振涛、田小永

近几十年来，用于细胞培养、组织工程、软机器人和离子装置的水凝胶应用有巨大发展。现有的水凝胶3D打印技术对水凝胶前驱体以及打印的水凝胶结构的物理和化学性质有相当大的限制。

西安交通大学王铁军团队提出了一种利用电容器边缘效应对分辨率为100μm的水凝胶液图案化的新方法(patterning liquids with the capacitor edge effect, PLEEC)，结合图案和堆叠工艺建立了完整的水凝胶3D打印系统。图1是该技术的原理示意图，利用电容边缘效应时，可以产生具有许多不同性质的水凝胶，通过各种机制对材料进行交联固化，克服了现有技术的局限性。

图1 PLEEC原理：非对称电容器由介电层隔开

图2展示了二维水凝胶前体图案的聚合和逐层堆叠成3D结构的过程，在实验中，液体图案化的时间约为10s，聚合时间约为102s，这几乎与现有的数字光处理光固化3D打印技术（DLP）速度相当，具有较高的成形效率。

图2 PLEEC的水凝胶打印过程（A、B）图案化的过程（C）水凝胶聚合过程（D）打印重置过程

研究人员设计了水凝胶3D打印系统，由7个部分组成：机械模块，PLEEC面板，溶液添加单元，固化平台，固化单元，电源和控制模块，如图3。

图3 PLEEC水凝胶3D打印系统（A）系统原理图（B）打印系统照片

研究人员使用x、y方向上各自的三个线成形像素打印水凝胶结构，将两个方向上的水凝胶溶液线聚合并交替堆叠以形成支架结构的水凝胶固体，打印出各种类型的结构如图4。

图4 图4 PLEEC系统打印的水凝胶结构（A）脚手架结构（B）（C）可变形手形水凝胶复合材料（D）弹性LED导电带（E）软体LED显示设备

该技术可以打印具有不同物理或化学性质的各种水凝胶，能够将多种水凝胶材料结构化以形成水凝胶复合材料，实现了水凝胶支架、温度敏感水凝胶复合材料和高完整性离子水凝胶显示装置等的3D打印，为使用多材料组分和复杂几何结构的水凝胶快速成形提供了新手段。

参考文献：
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:尚振涛、田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室