用于组织工程和软机器人的可见光3D打印

老三的人

2020-10-15 13:42:41

得克萨斯大学奥斯汀分校化学系的研究人员开始扩大他们在组织工程和软机器人等应用领域的工作时，他们意识到有必要进一步探索光化学，以开发出“新型全色光敏聚合物树脂”，以获得更快的速度和更高的打印分辨率。由于复杂的电子转移，缓慢的固化时间和较高的辐照强度，他们正在使用的当前速度对于他们想要制造的复合材料，复杂结构或水凝胶的类型并不现实。

可见光光固化为3D打印提供的方法和机会。该图显示了带有可交换发光二极管（LED）的数字光处理（DLP）的一般机制。对于紫外线和可见光光固化，绿色的复选标记表示有吸引力的功能，而红色的“ X”表示当前的挑战。

树脂以紫色，蓝色，绿色和红色创建，包含以下内容：

单体
光氧化还原催化剂（PRC）
两位共同发起人
遮盖剂

研究人员依靠中华人民共和国促进电子转移并因此产生自由基，从而导致聚合反应。随着不透明剂（无源吸收剂）在具有可见LED的数字光处理（DLP）系统中改善了固化效果，分辨率得到了改善。Dowon Ahn，Lynn M. Stevens，Kevin Zhou和Zachariah A.的作者Dowon Ahn解释了他们在“快速高分辨率可见光3D打印”中的工作，并指出，他们能够将吸收的每个光子产生的自由基数量增加一倍。

可见光固化。（a）三组分系统的一般机理（氧化猝灭）（左）。光引发剂（PI）和光氧化还原催化剂（PRC）的化学结构，以及具有定性胶凝时间的光固化膜的相应图片（右）。（b）碘鎓受体（A）和硼酸盐供体（D）共引发剂的化学结构。（c）不透明剂的化学结构。（d）在最佳光固化浓度下，PI和PRC化合物吸收的光子与波长的关系，在0.5 mM（红色）和1 mM（绿色，蓝色和紫色）的OA下吸收的光子与波长的关系。光线来自DLP 3D打印机图像平面上的校准的紫色（405 nm），蓝色（460 nm），绿色（525 nm）和红色（615 nm）LED。

通过以100μm的层厚进行打印，研究人员在评估分辨率和机械性能方面有更好的结果。在较厚的层上出现了更好的速度，并且由于改进了对每个层的曝光时间控制，他们新的“分辨率打印”成功地提供了更高的效率，速度和分辨率。

使用“分辨率打印”方法的3D打印优化协议。（a）当所有正方形同时被照亮（白****域对应于曝光）时，数字投影层在1秒钟处显示（左上方）。放大的正方形，用于11秒曝光/层，显示投影的线和像素阵列（左下）和用光学轮廓仪拍摄的红光分辨率打印（右下）。用于光固化硬质树脂的化学成分，包括二甲基丙烯酰胺和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（右上）。（b）四种树脂按曝光颜色制成的印刷品的光学图像（100μm层，在12个基础层的顶部各有4层，每个编号的正方形）。（c）z分辨率分析：在上面的部分a轮廓测量图像中，用方框i概述的11 s正方形上的角的3D图像。使用每个角平均10条线迹来确定高度和侧壁角度（SWA）（其中一个作为参考）。（d）红色树脂的厚度和SWA与暴露时间的关系图。浅红色和深红色阴影区域分别表示曝光时间（或处理窗口），以提供最佳的z分辨率而不使用OA和优化的[OA]（理论高度= 400μm）。（e）x，y分辨率分析：使用光学轮廓仪对16、8、4和2像素宽的正方形测量的表面积图。表面积分别是2、4、8和16像素宽特征的3、5、8和10平方的平均值（误差表示±1标准偏差）。虚线表示理论表面积，误差线表示±1标准偏差，

在研究过程中打印出狗骨状样品，然后研究人员对它们的刚度，屈服强度和断裂应变进行了测试。最终，结果表明“三组分光敏体系的存在不会改变机械性能。” 此外，他们比较了关于硬性与软性以及疏水性与亲水性的标本。

拉伸测试表明， E = 0.8±0.1 MPa，比硬质树脂低3个数量级。此外，在水中用硬质或软质树脂印刷的六个立方体的溶胀试验定性地突出了化学成分的差异，”作者说。

“与坚硬树脂（重量增加54±2％）相比，软立方体的吸水量大得多（重量增加177±1％），这归因于较低的交联密度和增加的亲水性。充满酒精的软网络。”

3D打印狗骨头的机械测试。（a）紫色，蓝色，绿色和红色的狗骨头的应力-应变曲线显示出与波长无关的特性。（b）以三个不同的边角（水平，对角和垂直）印刷的红色狗骨头，显示出接近各向同性的机械性能。插图是每个狗骨头方向的图，其中显示了对构建平台的支撑，并关闭了图像以可视化每个图层。（c）刚性和弹性红色树脂的应力-应变曲线。插图显示一张表格，突出显示了不同的机械性能以及相关的平台多功能性。

研究人员得出结论，随着八角形桁架的生产具有复杂性和功能性，研究人员得出结论，机械和化学性质具有潜力，这是因为它们的多功能性以及将来在不涉及“有害的紫外线”的情况下使用多种材料的能力。