中科院、西北民族大學《AM》：二甲基亞砜介導的高保真水凝膠3D打印
時間：2024-08-24 09:54 來源：GK綠鑰生物科技 作者：admin 閱讀：次
中國科學院蘭州化學物理研究所王曉龍研究員團隊聯(lián)合西北民族大學化學工程學院孫初鋒團隊在《Additive
Manufacturing》期刊發(fā)表文章“Dimethyl sulfoxide mediated high-fidelity 3D
printing of
hydrogels”，由于靈活的結(jié)構(gòu)設計和快速原型制造，具有固體和流體特性的3D打印水凝膠已成為生物醫(yī)學工程，軟機器人和柔性電子產(chǎn)品的有前途的候選者。然而，現(xiàn)有的水凝膠3D打印技術(shù)由于水蒸發(fā)引起的形狀變形和坍塌，嚴重限制了水凝膠復合結(jié)構(gòu)的高保真度。為了解決以上問題，本文提出了一種混合溶劑打印策略，然后進行水透析，通過抑制水蒸發(fā)來實現(xiàn)高保真水凝膠結(jié)構(gòu)的還原光聚合3D打印。具體而言，將二甲基亞砜(DMSO)作為助溶劑引入水凝膠油墨中，以提高3D打印過程中的抗脫水性能。然后通過溶劑交換和水透析將制備的凝膠轉(zhuǎn)化為保真度高、性能優(yōu)良的水凝膠。在這些特性的支持下，各種具有復雜結(jié)構(gòu)的功能器件通過目前各種水凝膠的高保真3D打印進行了演示。溶劑輔助高保真水凝膠3D打印方案結(jié)合了對各種高性能水凝膠的兼容性，被認為是可穿戴設備，傷口敷料，電子皮膚和智能機器人的前景廣闊。
WHAT—DMSO在3D打印水凝膠中的主要作用是什么？
1、提高抗脫水性能：DMSO作為共溶劑的引入顯著改善了水凝膠在3D打印過程中的抗脫水能力，從而減少了水分蒸發(fā)導致的收縮和變形。
2、優(yōu)化溶劑比例：通過調(diào)節(jié)DMSO與水的比例，可以實現(xiàn)優(yōu)異的抗干燥性能，確保水凝膠在打印過程中的高保真度和精確度。
3、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：在打印過程中，DMSO的加入使得水凝膠在室溫下能夠在經(jīng)過5小時后仍保持其形狀，避免了打印結(jié)構(gòu)的變形。
4、改善物理性能：DMSO的存在有助于形成高保真度的水凝膠，并賦予其良好的機械性能，這對于制作復雜結(jié)構(gòu)和多功能設備至關(guān)重要。
WHY—為什么需要對打印后的水凝膠進行金屬鹽溶液交換和透析處理?
1、去除DMSO：在3D打印過程中，DMSO作為共溶劑的引入可以改善水凝膠的抗脫水性能，但打印完成后，需要通過金屬鹽溶液交換和透析去除DMSO，以防止其對水凝膠性能的負面影響。
2、改善機械性能：金屬鹽的引入能夠通過提高水凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和增強其機械性能，特別是通過調(diào)節(jié)Zr4+的羧酸鹽配位程度，從而有效改善水凝膠的強度和韌性。
3、降低收縮和變形：在打印過程中，水分蒸發(fā)會導致水凝膠的尺寸收縮和結(jié)構(gòu)變形。通過透析處理，可以在去除多余的有機溶劑的同時，保持水凝膠的水分含量，從而減小收縮和變形的風險，提高打印的精確度和成品的穩(wěn)定性。
4、調(diào)節(jié)局部pH：透析過程中，水凝膠的局部pH會從酸性調(diào)節(jié)至中性，這一變化有助于提高水凝膠的整體性能，使其在應用中表現(xiàn)更為優(yōu)越。
HOW—開發(fā)一種通過溶劑調(diào)節(jié)和水透析實現(xiàn)高保真度光聚合3D打印水凝膠。
本文通過利用二甲基亞砜（DMSO）和水之間的液體平衡來控制有機溶液與水溶液比例，從而開發(fā)出一種提高3D打印水凝膠打印精度的新策略（圖1）。DMSO與水的氫鍵作用減少了水的蒸發(fā)，從而抑制了水凝膠在光聚合3D打印過程中水分流失導致的收縮和結(jié)構(gòu)變形。通過將二元DMSO-H2O溶劑引入到光聚合凝膠墨水中，并利用鋯離子（Zr4+）的金屬配位作用增強水凝膠的機械性能，最終獲得了一種具有優(yōu)異機械性能和尺寸穩(wěn)定性的高保真水凝膠。
影響還原光聚合3D打印水凝膠保真度的兩個主要因素：短時間內(nèi)制造的結(jié)構(gòu)精度（幾乎不受水分蒸發(fā)影響）和長時間制造的結(jié)構(gòu)精度（受水分蒸發(fā)導致的結(jié)構(gòu)變形影響）。研究表明，利用DMSO和水的二元溶劑系統(tǒng)可以減少水分蒸發(fā)，從而提高打印保真度。實驗結(jié)果表明，含有30%和50%DMSO的凝膠在打印過程中表現(xiàn)出較好的保真度，盡管較小尺寸的結(jié)構(gòu)由于表面張力和光聚合特性仍會有一定的收縮。總體而言，DMSO衍生的凝膠在3D打印過程中展現(xiàn)出了優(yōu)異的保真度（圖2）。
WHAT—DMSO在3D打印水凝膠中的主要作用是什么？
1、提高抗脫水性能：DMSO作為共溶劑的引入顯著改善了水凝膠在3D打印過程中的抗脫水能力，從而減少了水分蒸發(fā)導致的收縮和變形。
2、優(yōu)化溶劑比例：通過調(diào)節(jié)DMSO與水的比例，可以實現(xiàn)優(yōu)異的抗干燥性能，確保水凝膠在打印過程中的高保真度和精確度。
3、保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：在打印過程中，DMSO的加入使得水凝膠在室溫下能夠在經(jīng)過5小時后仍保持其形狀，避免了打印結(jié)構(gòu)的變形。
4、改善物理性能：DMSO的存在有助于形成高保真度的水凝膠，并賦予其良好的機械性能，這對于制作復雜結(jié)構(gòu)和多功能設備至關(guān)重要。
WHY—為什么需要對打印后的水凝膠進行金屬鹽溶液交換和透析處理?
1、去除DMSO：在3D打印過程中，DMSO作為共溶劑的引入可以改善水凝膠的抗脫水性能，但打印完成后，需要通過金屬鹽溶液交換和透析去除DMSO，以防止其對水凝膠性能的負面影響。
2、改善機械性能：金屬鹽的引入能夠通過提高水凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和增強其機械性能，特別是通過調(diào)節(jié)Zr4+的羧酸鹽配位程度，從而有效改善水凝膠的強度和韌性。
3、降低收縮和變形：在打印過程中，水分蒸發(fā)會導致水凝膠的尺寸收縮和結(jié)構(gòu)變形。通過透析處理，可以在去除多余的有機溶劑的同時，保持水凝膠的水分含量，從而減小收縮和變形的風險，提高打印的精確度和成品的穩(wěn)定性。
4、調(diào)節(jié)局部pH：透析過程中，水凝膠的局部pH會從酸性調(diào)節(jié)至中性，這一變化有助于提高水凝膠的整體性能，使其在應用中表現(xiàn)更為優(yōu)越。
HOW—開發(fā)一種通過溶劑調(diào)節(jié)和水透析實現(xiàn)高保真度光聚合3D打印水凝膠。
本文通過利用二甲基亞砜（DMSO）和水之間的液體平衡來控制有機溶液與水溶液比例，從而開發(fā)出一種提高3D打印水凝膠打印精度的新策略（圖1）。DMSO與水的氫鍵作用減少了水的蒸發(fā)，從而抑制了水凝膠在光聚合3D打印過程中水分流失導致的收縮和結(jié)構(gòu)變形。通過將二元DMSO-H2O溶劑引入到光聚合凝膠墨水中，并利用鋯離子（Zr4+）的金屬配位作用增強水凝膠的機械性能，最終獲得了一種具有優(yōu)異機械性能和尺寸穩(wěn)定性的高保真水凝膠。
圖1 高保真還原光聚合3D打印水凝膠的設計與構(gòu)建
影響還原光聚合3D打印水凝膠保真度的兩個主要因素：短時間內(nèi)制造的結(jié)構(gòu)精度（幾乎不受水分蒸發(fā)影響）和長時間制造的結(jié)構(gòu)精度（受水分蒸發(fā)導致的結(jié)構(gòu)變形影響）。研究表明，利用DMSO和水的二元溶劑系統(tǒng)可以減少水分蒸發(fā)，從而提高打印保真度。實驗結(jié)果表明，含有30%和50%DMSO的凝膠在打印過程中表現(xiàn)出較好的保真度，盡管較小尺寸的結(jié)構(gòu)由于表面張力和光聚合特性仍會有一定的收縮。總體而言，DMSO衍生的凝膠在3D打印過程中展現(xiàn)出了優(yōu)異的保真度（圖2）。
圖2 還原光聚合3D打印凝膠的保真度
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