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中科院化學(xué)所宋延林研究員課題組《Adv. Mater.》:消除3D打印臺階效應(yīng),制備高精度隱形眼鏡結(jié)構(gòu)
2021-11-05  來源:高分子科技

  隱形眼鏡傳統(tǒng)的制備方法涉及復(fù)雜且耗時的多種步驟及拋光工藝。近年來,各種3D打印技術(shù),如熔融沉積3D打。‵DM)、墨水直寫打。―IW)及基于UV固化的3D打印(SLA,DLP)已被應(yīng)用于各種光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備。在這些方法中,使用樹脂液滴的3D打印策略,包括噴墨打印及液滴內(nèi)UV固化的打印技術(shù),由于其可按需制備3D結(jié)構(gòu)且可操作性強(qiáng),因而受到廣泛關(guān)注。然而,由于傳統(tǒng)的逐點或逐層增材制造模式不可避免地會產(chǎn)生臺階效應(yīng),這限制了垂直打印的精度,使得打印結(jié)構(gòu)性質(zhì)各向異性。盡管雙光子聚合打印技術(shù)(TPP)可提高表面光滑度,但由于其效率低和設(shè)備復(fù)雜,難以滿足實際應(yīng)用需要。因此,減少臺階效應(yīng)和實現(xiàn)高精度對于3D打印技術(shù)在光學(xué)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有重要意義。


  針對逐層打印中的臺階效應(yīng),宋延林研究員團(tuán)隊提出了一種基于數(shù)字光處理(DLP)技術(shù)的連續(xù)液膜限制的3D打印策略,實現(xiàn)了高精度3D結(jié)構(gòu)的制備。在液-固界面的約束及連續(xù)打印模式下,附著在固化結(jié)構(gòu)上的液體樹脂被吸進(jìn)固化層結(jié)構(gòu)中,同時掉附著在固化結(jié)構(gòu)上的多余樹脂被刮除,消除了臺階效應(yīng),避免了后清洗步驟,確保了打印保真性。除此之外,還抑制了連續(xù)打印過程中的熱累積及熱擴(kuò)散,確保了打印穩(wěn)定性;谠摬呗钥芍苽涑鲋行暮穸燃s為135 μm的厘米級隱形眼鏡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有極高的光滑度(粗糙度小于1.3 nm)、均勻的機(jī)械性能、高生物相容性以及優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì),其透光性及成像分辨率高達(dá)96%和228.1 lp/mm。


圖1. 紫外可固化硅水凝膠樹脂系統(tǒng)及連續(xù)液膜限制的3D打印過程的示意圖


  硅水凝膠由于其合適的含水量和透氧性被廣泛應(yīng)用于隱形眼鏡結(jié)構(gòu)的制備。該團(tuán)隊開發(fā)了一種可用于DLP 3D打印的紫外可固化硅水凝膠樹脂系統(tǒng)用于隱形眼鏡結(jié)構(gòu)的制備(圖1a)。在連續(xù)打印過程中,固化結(jié)構(gòu)始終受到液體樹脂和固化結(jié)構(gòu)界面的限制,這使得薄液體樹脂膜包裹在固化結(jié)構(gòu)外。通過對受限液膜的控制,可以在不過度包覆的情況下填充相鄰固化層之間的間隙,消除階梯效應(yīng),獲得側(cè)壁光滑的三維結(jié)構(gòu)(圖1b)。


圖2. 連續(xù)液膜限制的3D打印策略下的臺階效應(yīng)消除機(jī)理


  臺階效應(yīng)的消除是通過控制固化結(jié)構(gòu)外粘附液膜的覆蓋方式(吸入、填充及刮除)實現(xiàn)的。由于3D打印過程中的潤濕行為和毛細(xì)現(xiàn)象,包覆在打印結(jié)構(gòu)上的液膜無處不在,該團(tuán)隊利用這些通常被沖洗掉的樹脂作為過渡層來消除臺階效應(yīng)。如圖2所示,在連續(xù)打印過程中,通過協(xié)同調(diào)控樹脂黏度和液滴直徑,可以很好地控制粘附液膜的尺寸和形貌,使得液膜厚度可控,從而在消除臺階效應(yīng)、打印出具有光滑側(cè)壁的3D結(jié)構(gòu)的同時,還確保了打印的高保真度。此外,該連續(xù)液膜限制的3D打印策略還抑制了熱積累和熱擴(kuò)散,確保了長時間打印的穩(wěn)定性。


圖3. 3D打印隱形眼鏡結(jié)構(gòu)及其性能表征


  如圖3a所示,隨著支撐板的連續(xù)提升,可得到具有光滑側(cè)壁的隱形眼鏡結(jié)構(gòu)。該溶脹的隱形眼鏡結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì),其成像分辨率和透光性高達(dá)228.1 lp/mm和96% (圖3b-c)。對從不同角度打印的啞鈴狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械性能表征,由圖3d可知,溶脹的啞鈴狀結(jié)構(gòu)具有各向同性的機(jī)械性能,無方向依賴性,進(jìn)一步說明臺階效應(yīng)的消除。同時,該溶脹的隱形眼鏡具有適宜的平衡含水量和透氧量(圖3e),且溶脹結(jié)構(gòu)本身和浸漬液均無細(xì)胞毒性和具有低細(xì)胞粘附特性(圖3f-g),表明其能夠滿足實際應(yīng)用的生物相容性要求。


  該工作以“Suppressing Step Effect of 3D Printing for Constructing Contact Lens”為題發(fā)表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.202107249)上。論文的第一作者為中科院化學(xué)所博士生張虞,通訊作者為宋延林研究員,共同通訊作者為中科院化學(xué)所吳磊副研究員。該項工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、北京分子科學(xué)國家研究中心的支持。


  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107249

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