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墨水直写(DIW)的水凝胶 3D 打印研究分析

更新时间: 2021-08-03 14:37:47  查看次数: 70    
Zhu等将聚离子络合物(PIC:Polyion complex)水凝胶打印在水中。浓盐水溶液和PIC水凝基于墨水直写(DIW)的水凝胶 3D 打印,胶形成粘稠的溶液可以直接从喷嘴中挤出,随后水凝胶进入水中,盐和反离子的析出导致该凝胶转变为具有强韧物理性质的PIC凝胶,从而使得挤出后的凝胶满足打印要求。虽然这种方法为水凝胶油墨的快速固化提供了一种可行的方法,但可选择的油墨种类却极为有限。

墨水直写打印水凝胶的方式:(a)水凝胶打印在支撑材料中,(b)水凝胶打印在能与之反应的溶液中,
(c,d)外部刺激(紫外光灯)引起水凝胶快速的原位固化,(e)水凝胶直接打印在空气中。


Hockaday等提出了一种将打印和交联同时进行的技术,用于快速构建复杂、异构的主动脉瓣支架。水凝胶通常是由光或者热引发交联而形成的,因此外部的刺激引起水凝胶墨水快速的原位固化也是一种解决方式。他们将紫外光灯安装在挤出喷头上,当水凝胶墨水挤出时立马给予紫外光刺激引发交联,使得墨水的流变性能得到及时改变。Tian等也利用外部紫外光刺激,及时改善挤出后水凝胶的流变性能使其满足3D打印要求,并打印了离子导电水凝胶和PDMS介电弹性体复合结构。由于水凝胶固化速度很难匹配墨水挤出速度,因此这类打印方式限制了打印结构的保真度。此外,在紫外光的照射下喷头出口附近的墨水容易凝结,造成喷头堵塞。                                            

为了克服上述缺点,Zhao课题组等开始发展一种不需要额外辅助就能在空气中打印水凝胶结构的方法。其成功的关键是流变改性剂的发展,如Pluronic F-127和纳米粘土。它们可以直接改变水凝胶墨水的流变特性,使得原本如水一般的水凝胶前驱液具有一定的屈服应力。
当水凝胶墨水受到喷嘴施加的剪切应力超过屈服应力时,开始流动,也就开始拥有剪切速率,这时在喷嘴中流动的墨水的剪切力会一直保持大于屈服应力的状态,墨水就能如水一般轻松流过喷嘴。当墨水流出喷嘴落在平台上时,剪切速率降为0,墨水没有受到外力作用,这时只要本身受到的重力小于屈服应力,那么打印的结构就能保持自我支撑。
通常情况下,这种方法打印得到的水凝胶结构需要后续的固化处理(如紫外线或热固化)。这种简单直接打印水凝胶的方法获得了更广泛的运用,因此开发更高效、生物相容性更好的流变调节剂成为了水凝胶墨水直写打印发展的关键。