基于环境响应可调谐水凝胶的飞秒激光仿生4D打印研究
发布时间：2022-12-06 20:42
能够对结构形状进行编程调控的4D打印技术自2013年提出以来,已经在微机械、生物医学等各领域产生了广泛应用。水凝胶具有极强的变形能力和极好的生物兼容性,是一种优良的4D打印材料。但当前基于水凝胶材料的4D打印结构尺度较大,都在毫米量级以上,且响应速度在数秒以上。因此,水凝胶4D打印技术在空间尺度和时间尺度都有进一步提升的空间。飞秒激光双光子聚合直写技术,具有强大的加工能力,加工精度高,可以实现微纳米尺度的三维加工。本文提出了一种pH调谐的环境响应水凝胶飞秒激光4D仿生打印技术,实现了微米尺度可快速响应的4D打印。通过该技术,实现了树叶状微结构的多自由度复杂变形,并最终将该技术应用于微粒子捕获和磁控转运等方面。此外,在飞秒激光加工系统的效率提升方面,还介绍了一部分通过空间光调制涡旋光叠加快速加工偶数瓣分叉微斜柱的高效率加工方法,极大提升了飞秒激光直写加工微结构的效率。本文采用飞秒激光双光子聚合直写技术对pH调谐水凝胶进行加工,通过对加工参数的调控,可以实现对微米尺度叶片结构的变形调控,得到了包括膨胀收缩、扭转、扭曲和皱缩等多种运动自由度的变形效果,且响应时间不超过0.5 s。前报道的水凝...
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 飞秒激光双光子3D微纳加工技术
1.1.1 飞秒激光简介
1.1.2 飞秒激光与物质的相互作用机理
1.1.3 双光子聚合简介
1.1.4 基于双光子聚合的3D微纳加工技术
1.1.5 双光子3D微纳加工技术的应用
1.2 仿生4D打印技术
1.2.1 仿生4D打印技术简介
1.2.2 仿生4D打印技术的分类
1.2.3 仿生4D打印技术的应用
1.3 研究内容与意义
第2章 飞秒激光双光子聚合4D打印系统
2.1 基于扫描振镜的飞秒激光直写加工系统
2.1.1 加工光路系统
2.1.2 加工控制软件
2.1.3 加工系统应用实例
2.2 基于三维压电台的飞秒激光直写系统
2.2.1 加工光路系统
2.2.2 加工控制软件
2.2.3 加工系统应用实例
2.3 基于空间光调制器的双光子聚合飞秒激光高效加工系统
2.3.1 加工光路系统
2.3.2 利用涡旋光叠加光场加工微斜柱
2.3.3 分叉微斜柱的自组装
2.3.4 分叉微斜柱的应用
2.4 本章小结
第3章 pH调谐环境响应水凝胶
3.1 pH调谐水凝胶
3.1.1 水凝胶简介
3.1.2 水凝胶配制
3.1.3 pH调控机理
3.2 实验流程
3.2.1 实际加工工艺流程
3.2.2 观察测试
3.3 水凝胶调谐性能测试
3.3.1 响应速度
3.3.2 相对膨胀率
3.3.3 扫描点间距
3.3.4 激光能量
3.3.5 单点扫描次数
3.3.6 pH值
3.4 本章小结
第4章 微叶片结构的仿生4D打印
4.1 微叶片快速可逆的膨胀与收缩
4.1.1 微叶片结构设计
4.1.2 膨胀仿真
4.1.3 微叶片快速可逆的膨胀收缩变形
4.2 微叶片扭转变形的调控
4.2.1 微叶片的手性扭转
4.2.2 可变区域多次扫描策略
4.2.3 微叶片的扭转角调控
4.2.4 微叶片的复合变形展示
4.2.5 双向交叉扫描策略
4.3 微叶片的复杂变形
4.3.1 不均匀性缺陷设计
4.3.2 分析与讨论
4.4 本章小结
第5章 pH调谐水凝胶4D打印技术应用
5.1 微笼结构的设计与加工
5.1.1 微笼结构的设计
5.1.2 微笼结构的加工
5.2 微笼结构用于微粒子捕获
5.2.1 微粒子捕获
5.2.2 微粒子释放
5.2.3 分析与讨论
5.3 微笼结构的微粒子磁控转运
5.3.1 微粒子磁控转运
5.3.2 分析与讨论
5.4 本章小结
第6章 总结和展望
6.1 主要研究成果
6.2 主要创新点
6.3 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
本文编号：3711601
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 飞秒激光双光子3D微纳加工技术
1.1.1 飞秒激光简介
1.1.2 飞秒激光与物质的相互作用机理
1.1.3 双光子聚合简介
1.1.4 基于双光子聚合的3D微纳加工技术
1.1.5 双光子3D微纳加工技术的应用
1.2 仿生4D打印技术
1.2.1 仿生4D打印技术简介
1.2.2 仿生4D打印技术的分类
1.2.3 仿生4D打印技术的应用
1.3 研究内容与意义
第2章 飞秒激光双光子聚合4D打印系统
2.1 基于扫描振镜的飞秒激光直写加工系统
2.1.1 加工光路系统
2.1.2 加工控制软件
2.1.3 加工系统应用实例
2.2 基于三维压电台的飞秒激光直写系统
2.2.1 加工光路系统
2.2.2 加工控制软件
2.2.3 加工系统应用实例
2.3 基于空间光调制器的双光子聚合飞秒激光高效加工系统
2.3.1 加工光路系统
2.3.2 利用涡旋光叠加光场加工微斜柱
2.3.3 分叉微斜柱的自组装
2.3.4 分叉微斜柱的应用
2.4 本章小结
第3章 pH调谐环境响应水凝胶
3.1 pH调谐水凝胶
3.1.1 水凝胶简介
3.1.2 水凝胶配制
3.1.3 pH调控机理
3.2 实验流程
3.2.1 实际加工工艺流程
3.2.2 观察测试
3.3 水凝胶调谐性能测试
3.3.1 响应速度
3.3.2 相对膨胀率
3.3.3 扫描点间距
3.3.4 激光能量
3.3.5 单点扫描次数
3.3.6 pH值
3.4 本章小结
第4章 微叶片结构的仿生4D打印
4.1 微叶片快速可逆的膨胀与收缩
4.1.1 微叶片结构设计
4.1.2 膨胀仿真
4.1.3 微叶片快速可逆的膨胀收缩变形
4.2 微叶片扭转变形的调控
4.2.1 微叶片的手性扭转
4.2.2 可变区域多次扫描策略
4.2.3 微叶片的扭转角调控
4.2.4 微叶片的复合变形展示
4.2.5 双向交叉扫描策略
4.3 微叶片的复杂变形
4.3.1 不均匀性缺陷设计
4.3.2 分析与讨论
4.4 本章小结
第5章 pH调谐水凝胶4D打印技术应用
5.1 微笼结构的设计与加工
5.1.1 微笼结构的设计
5.1.2 微笼结构的加工
5.2 微笼结构用于微粒子捕获
5.2.1 微粒子捕获
5.2.2 微粒子释放
5.2.3 分析与讨论
5.3 微笼结构的微粒子磁控转运
5.3.1 微粒子磁控转运
5.3.2 分析与讨论
5.4 本章小结
第6章 总结和展望
6.1 主要研究成果
6.2 主要创新点
6.3 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果
本文编号：3711601
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