具有電容器邊緣效應(yīng)的水凝膠3D打印

供稿人:尚振濤、田小永

近幾十年來，用于細胞培養(yǎng)、組織工程、軟機器人和離子裝置的水凝膠應(yīng)用有巨大發(fā)展�，F(xiàn)有的水凝膠3D打印技術(shù)對水凝膠前驅(qū)體以及打印的水凝膠結(jié)構(gòu)的物理和化學性質(zhì)有相當大的限制。

西安交通大學王鐵軍團隊提出了一種利用電容器邊緣效應(yīng)對分辨率為100μm的水凝膠液圖案化的新方法(patterning liquids with the capacitor edge effect, PLEEC)，結(jié)合圖案和堆疊工藝建立了完整的水凝膠3D打印系統(tǒng)。圖1是該技術(shù)的原理示意圖，利用電容邊緣效應(yīng)時，可以產(chǎn)生具有許多不同性質(zhì)的水凝膠，通過各種機制對材料進行交聯(lián)固化，克服了現(xiàn)有技術(shù)的局限性。

圖1 PLEEC原理：非對稱電容器由介電層隔開

圖2展示了二維水凝膠前體圖案的聚合和逐層堆疊成3D結(jié)構(gòu)的過程，在實驗中，液體圖案化的時間約為10s，聚合時間約為102s，這幾乎與現(xiàn)有的數(shù)字光處理光固化3D打印技術(shù)（DLP）速度相當，具有較高的成形效率。

圖2 PLEEC的水凝膠打印過程（A、B）圖案化的過程（C）水凝膠聚合過程（D）打印重置過程

研究人員設(shè)計了水凝膠3D打印系統(tǒng)，由7個部分組成：機械模塊，PLEEC面板，溶液添加單元，固化平臺，固化單元，電源和控制模塊，如圖3。

圖3 PLEEC水凝膠3D打印系統(tǒng)（A）系統(tǒng)原理圖（B）打印系統(tǒng)照片

研究人員使用x、y方向上各自的三個線成形像素打印水凝膠結(jié)構(gòu)，將兩個方向上的水凝膠溶液線聚合并交替堆疊以形成支架結(jié)構(gòu)的水凝膠固體，打印出各種類型的結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 圖4 PLEEC系統(tǒng)打印的水凝膠結(jié)構(gòu)（A）腳手架結(jié)構(gòu)（B）（C）可變形手形水凝膠復(fù)合材料（D）彈性LED導(dǎo)電帶（E）軟體LED顯示設(shè)備

該技術(shù)可以打印具有不同物理或化學性質(zhì)的各種水凝膠，能夠?qū)⒍喾N水凝膠材料結(jié)構(gòu)化以形成水凝膠復(fù)合材料，實現(xiàn)了水凝膠支架、溫度敏感水凝膠復(fù)合材料和高完整性離子水凝膠顯示裝置等的3D打印，為使用多材料組分和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的水凝膠快速成形提供了新手段。

參考文獻：
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:尚振濤、田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室