利用光固化打印牺牲模具实现水凝胶异质结构的浇筑制造

来源：EngineeringForLife

近期，来自University of California的Peter Tseng团队提出了一种3D打印可调结构和功能的可编程水凝胶策略，该研究通过利用投影式光固化制造高分辨率树脂模具，并使用水凝胶进行浇筑和固化，然后牺牲模具以制造出具有定制化的异质性多功能水凝胶结构。相关论文“Fluidic Infiltrative Assembly of 3D Hydrogel with Heterogeneous Composition and Function”发表在“Advanced Functional Materials”杂志上。

水凝胶异质结构的制造过程主要分为两个部分：（1）利用光敏树脂进行模具的制造；（2）向制造出的模具中注入水凝胶材料并进行原位光固化。随后通过使用溶解剂使模具溶解，得到具有异质性的水凝胶结构（图1）。为了确保制造出的树脂模具正常溶解以及水凝胶结构的维持，该研究选用类商业ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）树脂打印牺牲模具，六氟异丙醇（HFIP）作为树脂溶解剂，同时测试了聚丙烯酰胺(PAAm)、聚（正异丙基丙烯酰胺）(PNIPAAm)和海藻酸钙(Ca-ALG)三种水凝胶的性能。

图1 3D水凝胶的流体渗透组装

在实验过程中，研究人员通过控制水凝胶溶液浇筑过程中的流速、浇筑体积、扩散时间和凝胶化速率对水凝胶结构进行了定制化构建（图2）。

图2 水凝胶成分的可编程流体编码

为了评估牺牲释放步骤对水凝胶性能的影响，研究人员通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉伸实验证实了HFIP对PAAm、Ca-ALG水凝胶的力学性能无影响，但会增强PNIPAAm水凝胶的热刺激敏感性（图3）。

图3 具有可编程行为异质性的水凝胶

最后，研究人员通过打印多种三维结构模具进行浇筑，展示了结构可调性、材料选择和几何约束之间的协同作用，并利用该方法实现了功能性多材料结构（图4）。

图4 具有可编程形式和3D功能的水凝胶的渗透组装

综上所述，该研究提出了一种集成了牺牲模具与浇筑成型策略相结合的方法，该方法可制造出具有异质性的水凝胶结构。其与众多光固化聚合物和改性剂兼容，在未来或将成为具有接近或超过自然物质特性的异质结构制造方法。

文章来源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103288