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淺析溫敏水凝膠4D打印


       激勵響應型智能水凝膠可以根據環境刺激(例如溫度、pH值、電磁場、放射線、壓強等)發生可控的物理或者化學性質變化,這種特性決定了它的巨大的市場潛力。幾十年來,科學家們努力研發新的智能水凝膠以及探索可控變形條件,并試驗不同成型方式。近日,Rutgers大學的工程師發明了一種智能水凝膠,并可應用于4D打印,制造出的實體可以按需收縮和膨脹。此項研究有利于制造人類活性組織和器官、軟體機器人、微流控裝置和可控藥物釋放,具有巨大的應用價值。

       通常情況下,4D打印類似于“折紙效應”,將3D打印的實體進一步折疊成具有特定三維結構的物體。深一步講,這種方法甚至可以制造具有自我折疊和組裝能力裝置或支架,這給醫學研究人提供了一個全新的領域。醫生可以通過小切口植入較小尺寸的植入物,在可控的條件下,植入物變形至所需的較大尺寸,這樣可以很大程度上減少了手術損傷。另外,采用4D打印藥物可以很方便地治療某些疾病,而不依賴于體外血液循環技術,這一定程度上降低了醫療成本,并且提高了生活質量。

Rutgers研究中制備的是可以收縮的國際象棋國王模型,它由溫敏水凝膠構成,這種材料含水量達到73%,但是依然可以保持固體形態。凝膠的轉變過程在溫度可控的水浴槽中進行。將溫度逐漸升高到50℃,模型會脫水收縮,而當溫度下降到11℃時,模型又恢復到原來的形狀和大小。另外,模型可以部分收縮/膨脹過程,而不限于整體變形,例如,模型頂端尖部可以收縮并貼近在一起,但是下面主體部分依然維持不變。

       本研究中使用的3D微尺度打印機(稱為PμSL系統)由Rutgers團隊研制,包含液晶硅(LCoS)數字掩模(通過UV光進行不同輪廓曝光)、投影鏡頭、紫外LED燈、控制紫外光束寬度的準直裝置。首先,利用CAD軟件生成數字3D模型,并將其切片成位圖圖像。其次,將每張數字圖像轉化為數字掩膜,并利用紫外光照射,投影到PNIPAAm樹脂上,通過光固化作用,將液態樹脂固化。之后,一層打印完畢后,工作臺在Z方向下降一層,進行下一層的打印,直至整個模型完成。

目前為止,這種智能水凝膠的全部應用潛力還沒有被完全發掘,它有望促進醫療領域進一步革新。該團隊正在利用這種水凝膠進行微尺度研究,以期制造50μm-70微米大小的物體。人們希望用它來研發新的生物醫學裝置,比如可以促進組織生長的細胞支架,可以精確控制釋放時間的藥物等。從完全控制形狀,到編程控制功能,這將是3D打印智能變形材料的力量。

        3D打印的PNIPAAm微結構可以根據溫度變化而發生形變。


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