《Additive Manufacturing》：3D打印具有自润性的隐形眼镜，告别眼干眼涩！

导读：隐形眼镜不仅可以用于视力矫正，还可以用于可穿戴传感技术，但长时间佩戴隐形眼镜会导致干眼症或角膜炎等相关眼部疾病。 为了减轻上述问题，研究人员提出了自润湿隐形眼镜。用于制造隐形眼镜的流行方法包括旋铸、模塑和车床加工。尽管旋转铸造和成型技术很经济，但这些技术往往需要后期处理解决附着力的影响。另一方面，车床加工成本高，耗时长，而且受到设计几何形状的限制。随着增材制造技术的进步，3D打印技术已被用于制造隐形眼镜。虽说3D打印隐形眼镜的应用还处于早期阶段，但它的潜力不容小觑！

2022年5月，南极熊获悉，来自印度马尼帕尔高等教育学院的研究人员使用 AutoCAD 和立体光刻技术开发自润湿隐形眼镜，他们的研究成果发表在《Additive Manufacturing》上，让我们看看他们的具体研究吧！


3D打印隐形眼镜
3D打印逐层制造的原理伴随着阶梯效应，限制了垂直打印精度、表面精加工和各向同性的机械性能。此外，后处理会造成结构特征的损失，因此打印层厚是3D打印的一个关键因素。此外，层与层之间的界面稳定性较差，会影响隐形眼镜的耐久性。所以需要减小打印的层厚，以增加表面的平滑度和改善界面的附着力。3D打印可以使用较小层厚打印微通道，作为模具，然后使用隐形眼镜材料，如软性弹性体，制造隐形眼镜。


△嵌入微通道的隐形眼镜的制造程序

使用增材制造技术制造隐形眼镜模具而不是隐形眼镜的前景往往被忽视。增材制造和传统方法的整合可以发挥两种技术的优势。 在此项研究中，隐形眼镜的主结构是通过3D打印用AutoCAD和立体光刻技术开发的模型制造的，凹模的直径为15毫米。研究人员3D打印了带有矩形底部的100微米的凹模。打印之后，光学区域被磨平，然后使用软光刻技术将其复印到软质弹性体材料--聚二甲基硅氧烷（PDMS）上，形成隐形眼镜。同时研究人员还对此隐形眼镜进行了实验测试，他们发现在微通道表面的毛细管上升，隐形眼镜具有自润性。

利用3D打印的阶梯效应形成微通道
研究人员最先使用ABS进行FFM打印隐形眼镜的模具，他们选取了两个方向进行研究，在3D打印中，3D打印的逐层构建性质导致了阶梯效应，而形成的阶梯的尺寸由打印角度决定。 此外，当3D打印在低层分辨率下进行时，阶梯效应变得更加明显。在模具上复印PDMS，形成了隐形眼镜，即隐形眼镜具有从主模具阶梯效应中产生的微通道。这里的微通道宽度相当于层的分辨率或阶梯高度，深度则由阶梯宽度决定。


△阶梯效应

研究人员通过实验，如下图，发现了毛细管上升现象，证明了通过3D打印的模具制造含有微通道的隐形眼镜具有自润性。


△a) 原始PDMS的水接触角，b) 经氧等离子体处理后的PDMS，c) 由阶梯效应形成的微通道接触镜中的毛细管上升，d) 由山脊效应形成的平面微通道中的毛细管上升（以300微米的层分辨率打印）。

控制微通道尺寸&改进镜片透光度
尽管在隐形眼镜中创建微通道有利于镜片的自润湿，但仅仅依靠阶梯效应形成的微通道并没有形成均匀大小的微通道。因此，仅由阶梯效应不能提供尺寸可控的微通道。ABS的回缩误差或不规则性也直接影响到形成的微通道的尺寸。为了更好地控制微通道的尺寸和分布，研究人员直接在CAD中设计微通道的尺寸，直接在设计中定义。为了减少阶梯效应的影响，研究人员使用了投影微立体光刻技术进行打印，层的分辨率可达10微米。

随后研究人员还通过使用丙酮对结构的光学区域进行抛光，并打印出弯曲的毛细管，从而规避了接触镜的光学传输损失。在隐形眼镜上制造的微通道不仅有助于自保湿，而且还为未来开发具有芯片功能的隐形眼镜提供新思路。


△镜片改进设计

更多内容请下载原文查看：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102842