中科院化學所《Adv. Mater.》：消除3D打印臺階效應，制備高精度隱形眼鏡結構
時間：2021-11-06 09:26 來源：高分子科技 作者：admin 閱讀：次
隱形眼鏡傳統的制備方法涉及復雜且耗時的多種步驟及拋光工藝。近年來，各種3D打印技術，如熔融沉積3D打印（FDM）、墨水直寫打印（DIW）及基于UV固化的3D打印（SLA，DLP）已被應用于各種光學結構的制備。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UV固化的打印技術，由于其可按需制備3D結構且可操作性強，因而受到廣泛關注。然而，由于傳統的逐點或逐層增材制造模式不可避免地會產生臺階效應，這限制了垂直打印的精度，使得打印結構性質各向異性。盡管雙光子聚合打印技術（TPP）可提高表面光滑度，但由于其效率低和設備復雜，難以滿足實際應用需要。因此，減少臺階效應和實現高精度對于3D打印技術在光學結構中的應用具有重要意義。
針對逐層打印中的臺階效應，宋延林研究員團隊提出了一種基于數字光處理（DLP）技術的連續液膜限制的3D打印策略，實現了高精度3D結構的制備。在液-固界面的約束及連續打印模式下，附著在固化結構上的液體樹脂被吸進固化層結構中，同時掉附著在固化結構上的多余樹脂被刮除，消除了臺階效應，避免了后清洗步驟，確保了打印保真性。除此之外，還抑制了連續打印過程中的熱累積及熱擴散，確保了打印穩定性。基于該策略可制備出中心厚度約為135 μm的厘米級隱形眼鏡結構。該結構具有極高的光滑度（粗糙度小于1.3 nm）、均勻的機械性能、高生物相容性以及優異的光學性質，其透光性及成像分辨率高達96%和228.1 lp/mm。
硅水凝膠由于其合適的含水量和透氧性被廣泛應用于隱形眼鏡結構的制備。該團隊開發了一種可用于DLP 3D打印的紫外可固化硅水凝膠樹脂系統用于隱形眼鏡結構的制備（圖1a）。在連續打印過程中，固化結構始終受到液體樹脂和固化結構界面的限制，這使得薄液體樹脂膜包裹在固化結構外。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，獲得側壁光滑的三維結構（圖1b）。
臺階效應的消除是通過控制固化結構外粘附液膜的覆蓋方式（吸入、填充及刮除）實現的。由于3D打印過程中的潤濕行為和毛細現象，包覆在打印結構上的液膜無處不在，該團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。如圖2所示，在連續打印過程中，通過協同調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、打印出具有光滑側壁的3D結構的同時，還確保了打印的高保真度。此外，該連續液膜限制的3D打印策略還抑制了熱積累和熱擴散，確保了長時間打印的穩定性。
如圖3a所示，隨著支撐板的連續提升，可得到具有光滑側壁的隱形眼鏡結構。該溶脹的隱形眼鏡結構具有優異的光學性質，其成像分辨率和透光性高達228.1 lp/mm和96% （圖3b-c）。對從不同角度打印的啞鈴狀結構進行機械性能表征，由圖3d可知，溶脹的啞鈴狀結構具有各向同性的機械性能，無方向依賴性，進一步說明臺階效應的消除。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），且溶脹結構本身和浸漬液均無細胞毒性和具有低細胞粘附特性（圖3f-g），表明其能夠滿足實際應用的生物相容性要求。
該工作以“Suppressing Step Effect of 3D Printing for Constructing Contact Lens”為題發表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202107249）上。論文的第一作者為中科院化學所博士生張虞，通訊作者為宋延林研究員，共同通訊作者為中科院化學所吳磊副研究員。該項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院青年創新促進會、北京分子科學國家研究中心的支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107249
針對逐層打印中的臺階效應，宋延林研究員團隊提出了一種基于數字光處理（DLP）技術的連續液膜限制的3D打印策略，實現了高精度3D結構的制備。在液-固界面的約束及連續打印模式下，附著在固化結構上的液體樹脂被吸進固化層結構中，同時掉附著在固化結構上的多余樹脂被刮除，消除了臺階效應，避免了后清洗步驟，確保了打印保真性。除此之外，還抑制了連續打印過程中的熱累積及熱擴散，確保了打印穩定性。基于該策略可制備出中心厚度約為135 μm的厘米級隱形眼鏡結構。該結構具有極高的光滑度（粗糙度小于1.3 nm）、均勻的機械性能、高生物相容性以及優異的光學性質，其透光性及成像分辨率高達96%和228.1 lp/mm。
圖1. 紫外可固化硅水凝膠樹脂系統及連續液膜限制的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用于隱形眼鏡結構的制備。該團隊開發了一種可用于DLP 3D打印的紫外可固化硅水凝膠樹脂系統用于隱形眼鏡結構的制備（圖1a）。在連續打印過程中，固化結構始終受到液體樹脂和固化結構界面的限制，這使得薄液體樹脂膜包裹在固化結構外。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，獲得側壁光滑的三維結構（圖1b）。
圖2. 連續液膜限制的3D打印策略下的臺階效應消除機理
臺階效應的消除是通過控制固化結構外粘附液膜的覆蓋方式（吸入、填充及刮除）實現的。由于3D打印過程中的潤濕行為和毛細現象，包覆在打印結構上的液膜無處不在，該團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。如圖2所示，在連續打印過程中，通過協同調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、打印出具有光滑側壁的3D結構的同時，還確保了打印的高保真度。此外，該連續液膜限制的3D打印策略還抑制了熱積累和熱擴散，確保了長時間打印的穩定性。
圖3. 3D打印隱形眼鏡結構及其性能表征
如圖3a所示，隨著支撐板的連續提升，可得到具有光滑側壁的隱形眼鏡結構。該溶脹的隱形眼鏡結構具有優異的光學性質，其成像分辨率和透光性高達228.1 lp/mm和96% （圖3b-c）。對從不同角度打印的啞鈴狀結構進行機械性能表征，由圖3d可知，溶脹的啞鈴狀結構具有各向同性的機械性能，無方向依賴性，進一步說明臺階效應的消除。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），且溶脹結構本身和浸漬液均無細胞毒性和具有低細胞粘附特性（圖3f-g），表明其能夠滿足實際應用的生物相容性要求。
該工作以“Suppressing Step Effect of 3D Printing for Constructing Contact Lens”為題發表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202107249）上。論文的第一作者為中科院化學所博士生張虞，通訊作者為宋延林研究員，共同通訊作者為中科院化學所吳磊副研究員。該項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院青年創新促進會、北京分子科學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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