用於組織工程和軟機器人的可見光3D列印

2020-10-15 白令三維

德克薩斯大學奧斯汀分校化學系的研究人員開始擴大他們在組織工程和軟機器人等應用領域的工作時，他們意識到有必要進一步探索光化學，以開發出「新型全色光敏聚合物樹脂」，以獲得更快的速度和更高的列印解析度。由於複雜的電子轉移，緩慢的固化時間和較高的輻照強度，他們正在使用的當前速度對於他們想要製造的複合材料，複雜結構或水凝膠的類型並不現實。

可見光光固化為3D列印提供的方法和機會。該圖顯示了帶有可交換發光二極體（LED）的數字光處理（DLP）的一般機制。對於紫外線和可見光光固化，綠色的複選標記表示有吸引力的功能，而紅色的「 X」表示當前的挑戰。

樹脂以紫色，藍色，綠色和紅色創建，包含以下內容：

  • 單體

  • 光氧化還原催化劑（PRC）

  • 兩位共同發起人

  • 遮蓋劑

研究人員依靠中華人民共和國促進電子轉移並因此產生自由基，從而導致聚合反應。隨著不透明劑（無源吸收劑）在具有可見LED的數字光處理（DLP）系統中改善了固化效果，解析度得到了改善。Dowon Ahn，Lynn M. Stevens，Kevin Zhou和Zachariah A.的作者Dowon Ahn解釋了他們在「快速高解析度可見光3D列印」中的工作，並指出，他們能夠將吸收的每個光子產生的自由基數量增加一倍。

可見光固化。（a）三組分系統的一般機理（氧化猝滅）（左）。光引發劑（PI）和光氧化還原催化劑（PRC）的化學結構，以及具有定性膠凝時間的光固化膜的相應圖片（右）。（b）碘鎓受體（A）和硼酸鹽供體（D）共引發劑的化學結構。（c）不透明劑的化學結構。（d）在最佳光固化濃度下，PI和PRC化合物吸收的光子與波長的關係，在0.5 mM（紅色）和1 mM（綠色，藍色和紫色）的OA下吸收的光子與波長的關係。光線來自DLP 3D印表機圖像平面上的校準的紫色（405 nm），藍色（460 nm），綠色（525 nm）和紅色（615 nm）LED。

通過以100μm的層厚進行列印，研究人員在評估解析度和機械性能方面有更好的結果。在較厚的層上出現了更好的速度，並且由於改進了對每個層的曝光時間控制，他們新的「解析度列印」成功地提供了更高的效率，速度和解析度。

使用「解析度列印」方法的3D列印優化協議。（a）當所有正方形同時被照亮（白****域對應於曝光）時，數字投影層在1秒鐘處顯示（左上方）。放大的正方形，用於11秒曝光/層，顯示投影的線和像素陣列（左下）和用光學輪廓儀拍攝的紅光解析度列印（右下）。用於光固化硬質樹脂的化學成分，包括二甲基丙烯醯胺和三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（右上）。（b）四種樹脂按曝光顏色製成的印刷品的光學圖像（100μm層，在12個基礎層的頂部各有4層，每個編號的正方形）。（c）z解析度分析：在上面的部分a輪廓測量圖像中，用方框i概述的11 s正方形上的角的3D圖像。使用每個角平均10條線跡來確定高度和側壁角度（SWA）（其中一個作為參考）。（d）紅色樹脂的厚度和SWA與暴露時間的關係圖。淺紅色和深紅色陰影區域分別表示曝光時間（或處理窗口），以提供最佳的z解析度而不使用OA和優化的[OA]（理論高度= 400μm）。（e）x，y解析度分析：使用光學輪廓儀對16、8、4和2像素寬的正方形測量的表面積圖。表面積分別是2、4、8和16像素寬特徵的3、5、8和10平方的平均值（誤差表示±1標準偏差）。虛線表示理論表面積，誤差線表示±1標準偏差，

在研究過程中列印出狗骨狀樣品，然後研究人員對它們的剛度，屈服強度和斷裂應變進行了測試。最終，結果表明「三組分光敏體系的存在不會改變機械性能。」 此外，他們比較了關於硬性與軟性以及疏水性與親水性的標本。

拉伸測試表明， E = 0.8±0.1 MPa，比硬質樹脂低3個數量級。此外，在水中用硬質或軟質樹脂印刷的六個立方體的溶脹試驗定性地突出了化學成分的差異，」作者說。

「與堅硬樹脂（重量增加54±2％）相比，軟立方體的吸水量大得多（重量增加177±1％），這歸因於較低的交聯密度和增加的親水性。充滿酒精的軟網絡。」

3D列印狗骨頭的機械測試。（a）紫色，藍色，綠色和紅色的狗骨頭的應力-應變曲線顯示出與波長無關的特性。（b）以三個不同的邊角（水平，對角和垂直）印刷的紅色狗骨頭，顯示出接近各向同性的機械性能。插圖是每個狗骨頭方向的圖，其中顯示了對構建平臺的支撐，並關閉了圖像以可視化每個圖層。（c）剛性和彈性紅色樹脂的應力-應變曲線。插圖顯示一張表格，突出顯示了不同的機械性能以及相關的平臺多功能性。

研究人員得出結論，隨著八角形桁架的生產具有複雜性和功能性，研究人員得出結論，機械和化學性質具有潛力，這是因為它們的多功能性以及將來在不涉及「有害的紫外線」的情況下使用多種材料的能力。

分層八位字節桁架作為複雜的3D列印演示。（a）數字渲染。（b）使用硬紅色樹脂組合物和8 s / 25μm層的紅光曝光（〜2.1 mW / cm2）拍攝的照片。（c，d）以不同放大倍數顯示結構層次的掃描電子顯微鏡圖像。


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