3D打印的新领域开发出能够自我修复的最先进软材

江苏激光联盟导读：

科学界将其研究重点放在水凝胶的多种应用上，水凝胶是一种含有大量水的聚合材料，具有重现生物组织特征的潜力。在再生医学领域中，这一方面尤其重要，因为再生医学已经很长一段时间已经认识到并使用了这些材料的特性。为了有效地用于替代有机组织，水凝胶必须满足两个基本要求：具有极大的几何复杂性，并且在遭受损坏之后能够像生命组织一样独立自愈。

在过去的十年中，许多研究致力于功能性三维（3D）水凝胶的成功建模和成形。取得的重大进展将极大地影响水基材料在生物医学等领域的使用。尤其是再生医学可以从这一发展中受益匪浅。制造保存、替代或增强人体组织的人工代用品的生产将是生活质量的突破性进步。为了使这些材料切实适用于现实生活，它们必须能够重组活性组织的天然功能。这些柔软的材料必须模仿复杂的自然结构，并具有结合机械强度和细胞活力等的特性。此外，赋予自我修复 (self-healing, SH) 能力的可能性会使水凝胶超出其结构作用，从而延长了目前受不可逆失效限制的使用寿命。

迄今为止，已采取了许多方法利用静电相互作用或动态共价键来生产SH水凝胶。然而，除非通过增材制造（AM）来执行，否则以复杂的3D形状正确处理这些系统仍然存在挑战。

基于材料挤出的水凝胶3D打印技术是生物制造中最常用的增材制造技术，为定制复制品的开发提供了不可思议的进步，它模仿了具有受控几何形状和特性的自然结构。典型地，由于在固定时挤出材料的形状通常基于材料的流变或固化，因此挤出印刷显示出弯曲的平面和轻微变形的平面。此外，这些技术还受到对高油墨粘度和结构变形或失效的要求的限制，具体取决于物体的方向。基于挤出的打印通常也以较低的构建速度和较低的分辨率运行。相反，还原光聚合 (vat photopolymerization, VP) 能够制造具有更高几何复杂度和更高精度的3D水凝胶，并且对印刷时间没有实质性的空间分辨率影响。在VP中，光的投射逐层触发液体制剂的局部固化，从而导致制造出具有精细时空控制的精确自立式3D结构。在VP技术中，数字光处理 (Digital Light Processing, DLP) 由于其速度和分辨率而特别受关注。DLP是一种连续的逐层无掩模光刻技术，其中，通过将2D图案的UV或可见光投射到液态光固化树脂上，通过单次曝光选择性地固化具有受控厚度的整个对象切片。然后移动构建平台，以在制造下一层之前用未固化的树脂填充印刷区域，重复该过程直到完成制造为止。在DLP中，由于液体是基于光聚合反应的，因此非常快地将液体转化为固体，因此可以得到几乎可以忽略不计的变形和良好的形状保真度的平坦垂直表面。

很少有报道用本质上是SH聚合材料制造的VP-3D打印物体，主要涉及弹性体。这些系统基于修补剂例如聚（己内酯）在加热和冷却时的扩散、静电相互作用（例如氢键和离子键）或动态共价化学（例如二硫键）的扩散。然而，由于上述化学、物理和技术限制，目前尚无关于通过VP生产具有自我修复特性的3D打印水凝胶的报道。

来自意大利都灵理工大学应用科学与技术系MP4MNT（微纳米技术与材料和处理）小组的研究人员介绍了通过VP获得的SH水凝胶的3D打印。他们成功地将VP印刷工艺的特征与SH特性融合在一起，在室温下以及没有任何刺激的情况下，制备了具有复杂结构和表面张力能力的3D印刷水凝胶。研究人员首次证明了制造具有复杂结构的水凝胶的可能性，该结构能够在撕裂后能够自我修复。这项研究发表在nature communications上。

DLP 3D打印

为了评估作为DLP印刷油墨的适用性，他们评估了PVA和AAc相对浓度的影响，以控制次级力的程度并定义了可印刷性窗口。被测制剂的组成见补充表3。我们发现随着PVA浓度的增加，所得溶液的粘度急剧增加，并且在高于0.8 (wt/wt) PVA / AAc比以上不能有效地印刷。

研究人员还进行了初步实验，以通过光流变学实验确定PVA浓度对光聚合动力学的影响（图1a）。聚合过程发生的时间少于10秒，完全在高分辨率DLP印刷的可接受范围内，反应开始或速率没有明显差异。这表明PVA的存在不会降低丙烯酸酯物质的反应性。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0501/813.html