一文了解3D打印水凝胶

来源： 高分子物理学

3D打印是一种快速原型制造技术，也被称为增材制造（Additive Manufacturing，AM），它是一种“自下而上”的制造方法，允许通过逐层堆叠材料来创建物理对象，而不是通过传统的切削或去除材料的方式。使用计算机辅助设计（CAD）软件构建模型并切片分层后可利用3d打印机进行逐层打印堆叠，获得实体。

[J].佛山陶瓷,2023,33(06):5-10+17.

图1 3D打印工艺流程示意图

相比于传统加工技术，3D打印可免去制作模具的成本与周期，实现快速、高效的实体生产，以及拥有不断试错调整的可能性。创造性、定制化和快速原型制造的能力使其在制造、医疗、航空航天、教育和许多其他领域中都有广泛应用。

3D打印 水凝胶  
3D打印水凝胶作为一种新型增材制造产品,水凝胶是一种水基的高分子凝胶，具有高水含量，类似于生物组织的性质，因此它们在生物医学和生物工程领域非常有用。

哈佛大学Wyss仿生工程研究所的Kevin Kit Parker团队在《Fibre-infused gel scaffolds guide cardiomyocyte alignment in 3D-printed ventricles

》一文中，使用了一种含有预制明胶纤维的水凝胶墨水（FIG（Fibrillar Interconnected Gel），含明胶、甘油、氯化钠、硼酸和氢氧化钠），利用其流变可调，控制溶胶-凝胶转变，实现精确和稳定的打印过程打印出了一个具有仿生结构和功能的心室体外模型。

Nat. Mater. 22, 1039–1046 (2023).

图2 水凝胶打印支架上培养的心脏组织的各向异性细胞内和细胞间组织

因其能够精细化制造坚韧水凝胶结构,有望为食品及其包装产业、生物医用产业、智能传感及软体机器人产业实现数字化、智能化提供可能。在《Science》和《Nature》等刊物上也常常可见相关的研究成果。

一种双连续导电聚合物水凝胶，它在生理环境中同时实现了高导电性(over 11 S cm-1)、可拉伸性(超过400%)和断裂韧性(J m-2以上)，并且易于应用于包括3D打印在内的先进制造方法。

Nature Materials volume 22, pages895–902 (2023)

图4 双连续导电聚合物水凝胶(BC-CPH)的设计与实现

成型方法

[J].佛山陶瓷,2023,33(06):5-10+17.

图5 常用3D打印技术

以上为常见的3D打印技术，然而，考虑到水凝胶系列材料通常水含量高，且3D打印水凝胶的原理和方法根据材料类型而有所变化。下述为一些3D打印水凝胶的常用方法。

喷墨式3D打印（Inkjet 3D Printing）
喷墨式3D打印与常见的喷墨打印类似，但使用的墨水是水凝胶的预混物。打印头通过喷射小液滴，将水凝胶逐层堆积在打印平台上。

选择适当的水凝胶墨水，然后使用喷墨式3D打印机进行打印。打印机控制打印头的移动和喷射以创建所需的三维结构。

光固化3D打印（Stereolithography，SLA）
在光固化3D打印中，光敏的水凝胶预聚物或树脂被照射以使其固化。这通常通过紫外线（UV）光源完成。

一般将水凝胶树脂装入3D打印机的打印槽中，然后使用UV光源逐层固化所需的结构。打印台会逐渐向上移动，以建立完整的3D对象。

Nature Materials volume 22, pages895–902 (2023)

图6 使用商用DLP打印机快速自下而上地制造PNE有机凝胶

激光诱导打印（Laser-Induced Printing）
激光诱导打印使用激光束将水凝胶粉末局部熔化和固化，以创建所需的结构。

首先，涂覆水凝胶粉末层，然后使用激光束逐层扫描粉末以进行熔化和固化。随着每一层的完成，打印台会逐渐上升并继续下一层的固化。

熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling，FDM）
在FDM中，水凝胶丝材料通过热喷嘴加热至熔化状态，然后通过喷嘴逐层挤出并堆积，最终冷却固化。

选用适合的水凝胶丝材料，然后使用FDM 3D打印机进行打印。打印机通过控制喷嘴的移动和温度来创建所需的结构。

Journal of Controlled Release.Volume 353, January 2023, Pages 864-874

图7  Arburg塑料 熔融沉积建模 （FDM ）

总结
3D打印水凝胶凭借其独特的性能以及边界的生产，不仅仅将在刊物中发光发彩，也势必将对我们的生活造成更加广泛的影响，从航空航天到医用领域。而对其的应用于研究将会不断延伸，横跨多个尺度于领域，结合无机材料、金属材料、生物学，朝着智能化、绿色化、多功能化发展。

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