多功能多材料水凝胶的3D打印及其力学建模

发布时间：2021-01-31 01:21

　　水凝胶是由亲水性三维聚合物网络以及大量的水组成的一种典型软材料,广泛应用于柔性电子、软体机器人和生物医疗领域。结合3D打印技术,深入探索水凝胶的定制化制造,可使其应用于更广阔的领域。由于水凝胶的前驱液通常很难直接用于3D打印,大多数3D打印技术都需要对初始的水凝胶前驱液进行调整,因此在3D打印水凝胶的研究中,如何在不损失打印效能的情况下尽可能保持其功能以及打印更高含水量的水凝胶具有重要意义;另一方面,单一水凝胶的3D打印已经不能满足水凝胶复杂的实际应用,因此开发基于水凝胶的多材料3D打印技术尤为重要;近年来,水凝胶材料由于具有可逆大变形能力和对各种化学或物理刺激的智能响应能力,4D打印水凝胶已经成为模拟仿生变形结构的一个新兴途径。除了对上述问题开展研究外,本文还建立了适合3D打印水凝胶各向异性溶胀的本构模型,为4D打印复杂构型水凝胶提供了力学理论基础。本论文的主要研究内容如下:（1）发展多功能水凝胶3D打印技术。优良的内部支撑材料将提供水凝胶可打印的能力,但不影响水凝胶的功能性。本文基于墨水直写3D打印方法使用了一种高效的（最低含量只需要0.5%）内部支撑材料Carbomer,实现了多... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：116 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

墨水直写打印水凝胶的方式：(a)水凝胶打印在支撑材料中[44]，(b)水凝胶打印在能与之反应的溶液中[45]，(c，d)外部刺激（紫外光灯）引起水凝胶快速[46,47][48]

浙江大学博士学位论文第一章绪论5能与平台移动的距离匹配。因此根据所打印的材料选取合适的光引发剂和阻光剂显得尤为重要。DLP打印又可以根据平台向上(bottom-up)或者向下(top-down)移动的方向分为两种打印方法（如图1-2a）[58]。如果接受投影的平台是向上移动的，通常盛有树脂容器的底板需要有良好的透光性，且上面覆着一层透氧薄膜用来防止打印结构粘在底板上。如果接受投影的平板是向下移动的，那么平台与树脂液面的初始距离需要满足固化条件。利用水凝胶材料可以通过紫外光固化交联的特点，研究者们开始用数字光处理的方式进行水凝胶3D打樱图1-2数字光处理(DLP)打印水凝胶。(a)数字光处理的两种打印方式：Top-Down和Bottom-Up[58]。(b)DLP打印生物凝胶并进行细胞封装[59]。(c)DLP打印导电水凝胶[60]。(d)DLP打印高拉伸性的水凝胶[61]。Chan等[59]利用数字光处理的方式打印了生物相容性良好的聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶（如图1-2b）。他们将水凝胶的前驱液和细胞混合在一起并放入打印容器中，再利用DLP打印系统直接投影紫外光在容器中打印水凝胶盒

浙江大学博士学位论文第一章绪论7近也开始有研究者利用双光子打印超高精度的水凝胶结构，开发高性能的光敏水凝胶，既可以扩大水凝胶的应用范围，又能给许多微技术提供新功能。Ovsianikov[65]等以PEGDA为载体，通过双光子打印技术制备了多孔的三维水凝胶支架，并通过激光诱导转移技术将细胞植入水凝胶支架中。双光子打印和激光诱导转移结合为实现微尺度上的三维多细胞组织构建提供了一条途径。图1-3(a)常规双光子打印装置的示意图[64]。(b)Kawata利用双光子技术打印的公牛模型[63]。(c)双光子技术打印水凝胶支架并进行生物实验[65]。在另一项工作中，Xing[66]等人以分子量为700Da的PEGDA为单体和交联剂，制备了类似于细胞支架的木桩结构水凝胶。他们将水凝胶的激光阈值能量大幅降低，分辨率大幅提高。这项工作提供了一种绿色和方便的方法，通过双光子打印在水介质中制造三维水凝胶。1.2.4现有3D打印水凝胶方法的对比现阶段针对水凝胶的3D打印方法主要包括以上三种，三种方法在各自擅长的领域发挥着不可或缺的作用。本文根据打印速度、打印精度、打印材料的扩展性对这三种打印方法进行讨论（结果如表1）。


本文编号：3009946