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浅析温敏水凝胶4D打印


       激励响应型智能水凝胶可以根据环境刺激(例如温度、pH值、电磁场、放射线、压强等)发生可控的物理或者化学性质变化,这种特性决定了它的巨大的市场潜力。几十年来,科学家们努力研发新的智能水凝胶以及探索可控变形条件,并试验不同成型方式。近日,Rutgers大学的工程师发明了一种智能水凝胶,并可应用于4D打印,制造出的实体可以按需收缩和膨胀。此项研究有利于制造人类活性组织和器官、软体机器人、微流控装置和可控药物释放,具有巨大的应用价值。

       通常情况下,4D打印类似于“折纸效应”,将3D打印的实体进一步折叠成具有特定三维结构的物体。深一步讲,这种方法甚至可以制造具有自我折叠和组装能力装置或支架,这给医学研究人提供了一个全新的领域。医生可以通过小切口植入较小尺寸的植入物,在可控的条件下,植入物变形至所需的较大尺寸,这样可以很大程度上减少了手术损伤。另外,采用4D打印药物可以很方便地治疗某些疾病,而不依赖于体外血液循环技术,这一定程度上降低了医疗成本,并且提高了生活质量。

Rutgers研究中制备的是可以收缩的国际象棋国王模型,它由温敏水凝胶构成,这种材料含水量达到73%,但是依然可以保持固体形态。凝胶的转变过程在温度可控的水浴槽中进行。将温度逐渐升高到50℃,模型会脱水收缩,而当温度下降到11℃时,模型又恢复到原来的形状和大小。另外,模型可以部分收缩/膨胀过程,而不限于整体变形,例如,模型顶端尖部可以收缩并贴近在一起,但是下面主体部分依然维持不变。

       本研究中使用的3D微尺度打印机(称为PμSL系统)由Rutgers团队研制,包含液晶硅(LCoS)数字掩模(通过UV光进行不同轮廓曝光)、投影镜头、紫外LED灯、控制紫外光束宽度的准直装置。首先,利用CAD软件生成数字3D模型,并将其切片成位图图像。其次,将每张数字图像转化为数字掩膜,并利用紫外光照射,投影到PNIPAAm树脂上,通过光固化作用,将液态树脂固化。之后,一层打印完毕后,工作台在Z方向下降一层,进行下一层的打印,直至整个模型完成。

目前为止,这种智能水凝胶的全部应用潜力还没有被完全发掘,它有望促进医疗领域进一步革新。该团队正在利用这种水凝胶进行微尺度研究,以期制造50μm-70微米大小的物体。人们希望用它来研发新的生物医学装置,比如可以促进组织生长的细胞支架,可以精确控制释放时间的药物等。从完全控制形状,到编程控制功能,这将是3D打印智能变形材料的力量。

        3D打印的PNIPAAm微结构可以根据温度变化而发生形变。


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