基于近红外光固化实现多尺度结构的墨水直写3D打印

3D打印生物医疗
2022
01/14
10:29
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来源:EngineeringForLife

墨水直写作为一种基于挤出式3D打印的技术,可以通过不断挤出墨水使其堆叠固化,即可实现三维结构的构造。通过使用不同的墨水,可以打印出各种各样具有不同性能的结构,可以在多个领域实现应用。然而,目前使用的墨水大多是热固化的,必须进行十分耗时的后处理工作,这大大限制了墨水直写技术的打印能力。此外,由于未固化的墨水机械性能较差,使得墨水直写的打印尺寸也受到了较大限制。

为克服这一问题,来自江南大学的刘仁、刘禹团队在Nature Communications上发表了题为“3D printing of multi-scalable structures via high penetration near-infrared photopolymerization”的文章,提出了一种利用近红外光诱导光聚合实现墨水固化的方法。

研究人员首先进行了近红外光固化的打印油墨开发,该墨水通过添加上转换纳米颗粒(UCNP)使得其在近红外光照射下能够激发出波长更短的光子,引起光引发剂产生自由基,实现墨水的交联反应,完成墨水固化。为尽可能提高近红外光照下墨水的固化速度,他们将上转化纳米颗粒的浓度确定为百分之一。同时,研究人员还对墨水进行了一系列流变测试,以更好的了解墨水固化过程以及优化打印工艺。
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图1 a近红外诱导固化墨水直写系统示意图;b应用于近红外-墨水直写打印的结构和反应;c通过实时FTIR流变分析监测近红外光诱导的光聚合

基于上述流变分析测试以及动力学测试,研究人员初步确定了打印相关工艺参数,并研究了近红外光强度对打印墨水的影响,结果显示近红外光越强越能够提高碳碳双键转化率,促进交联反应的进行。同时,研究人员使用该近红外固化的墨水直写系统进行了网格的打印,初步展现出该系统的实用性。

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图2 a二茂钛的吸收光谱和UCNP的发射光谱;b碳碳双键转化率与ATR-FTIR监测的辐照剂量;c通过近红外光进行后处理的结构,比例尺为1厘米;d通过近红外光进行实时固化的结构,比例尺为1厘米

接着研究人员利用近红外光的高穿透能力,尝试了多种喷嘴直径的打印,以研究墨水挤出粗细对打印的影响,结果表明不论是最细的5微米喷嘴还是最粗的4毫米喷嘴,其固化后结构的双键转化率均在百分之50到百分之70左右,表明该系统有着良好的适用性,能够应对不同丝粗细的需求。同时,研究人员还进行了彩色墨水打印的尝试,但由于颜料对高能量波段的吸收,该系统只能够支持外源性彩色墨水打印。

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图3  a通过ATR-FTIR监测碳碳双键转化率与喷嘴直径的关系,误差条为平均值的标准偏差,比例尺为2厘米;b通过ATR-FTIR监测碳碳双键转化率与颜色的关系,误差条为平均值的标准偏差,比例尺为2厘米;c二茂钛和不同配方颜料的吸收光谱

在确定了打印系统具备较高穿透能力与外源性彩色墨水打印的能力之后,研究人员还尝试了同轴彩色打印,结果展现了该系统优秀的性能。同时,研究人员还基于系统实时固化的特点,尝试了独立式结构打印,突破了传统墨水直写的局限。

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图4 同轴多色长丝,其中a为俯视图,b为侧视图,比例尺为2厘米;c带红色颜料的独立螺旋结构;d带蓝色颜料的独立式M形悬臂结构,比例尺为1厘米

最后,研究人员利用该系统进行了一系列有色结构的打印,并对这些不同墨水打印出的标准拉伸件进行了力学测试,结果表明颜色的添加不会对力学性能产生明显影响。除此之外,研究人员还尝试使用不同直径喷嘴进行了多种分辨率图形的打印,结果展示了该打印系统的强大性能。

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图5 a 3D打印得到的标准拉伸件以及力学测试获得的杨氏模量,误差条为平均值的标准偏差,比例尺为1厘米;b不同颜料打印的同一结构的侧视图和俯视图;c不同分辨率的3D打印整体结构的侧视图和俯视图,比例尺为2厘米

文章来源:
https://doi.org/10.1038/s41467-020-17251-z



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