UV光固化成型，3D打印高拉伸水凝胶

本文要点：

1. 开发了一种简单而多用的3D打印方法，能够制作出高复杂、含有高拉伸、高含水率的水凝胶混合3D结构，并且可以与其他不同类型的水溶性UV固化聚合物（例如，弹性聚合物、刚性聚合物、类ABS聚合物、形状记忆聚合物、以及其他可聚合的丙烯酸酯类聚合物）进行共价键接。

2. 自建基于DLP的多种材料3D打印机，水凝胶-聚合物混合物3D结构

3. 利用两亲表面处理剂将疏水光引发剂TPO改性为高亲水TPO纳米粉末，从而使AP水凝胶具有UV固化能力。

4. 在多材料打印过程中，未反应的单体和交联剂保留在加有TPO的水凝胶中，并在水凝胶-聚合物界面形成共价键。并通过FRIR和机械测试得到验证。

文章摘要

背景介绍

水凝胶在生物医药、柔性电子等领域有多种用途。在很多应用中，水凝胶与其他聚合物混合在一起形成混杂结构，以此来保护、增强或增加新功能到水凝胶结构中。鉴于水凝胶的多种应用前景，需要开发一种有效的、制作拥有高设计自由度和丰富材料选择的、水凝胶-聚合物基混杂结构的方法。

3D打印能够以自由的形式制作出复杂的3D物体，并且已经广泛应用在制作3D水凝胶结构。在所有的3D打印技术中，用于3D打印水凝胶最多的是基于挤出直写技术(DIW) 。不同于基于DIW打印方法，基于DLP(digital light processing)的3D打印技术，形成3D结构的方法是，通过数字化的UV紫外光照射打印出来的墨水（可UV聚合的液态3D打印材料 ）就地引发聚合，将液态聚合物树脂固化成为固态3D结构。因此，这是一种理想的制作高复杂、高分辨率的3D结构的方法。

图文介绍

Fig. 1. 多材料3D打印结合其他聚合物的水凝胶.（A）基于DLP多材料3D打印装置的说明 (B,C) 分别是打印弹性体和水凝胶结构的过程 (D) 由AP水凝胶和弹性体制作的对角对称Kelvin结构的照片 (E) 打印出的对角对称Kelvin结构的高形变描述 (F) 3D打印出的由刚性聚合物、AP水凝胶和弹性体组成的Kelvin泡沫的照片 (G) 3D打印的Kelvin泡沫高拉伸性能的说明 （比例尺 5 mm).

Fig. 2. 材料和粘接机理.(A) 用于制备AP水凝胶溶液的化学材料 (B) 水溶性TPO纳米颗粒的示意图 PVP, 聚乙烯吡咯烷酮. (C) (甲基)丙烯酸酯聚合物溶液的化学结构，PI, 非水溶性光引发剂. (D to G) 图解水凝胶-聚合物多材料结构打印工艺流程.  (H to J) 交联AP水凝胶、水凝胶-(甲基)丙烯酸酯聚合物界面 , 交联(甲基)丙烯酸酯聚合物的化学结构.

Fig. 3. 聚合转化率和键接强度的对比. (A) 不同引发剂（水溶性TPO,Irgacure-2959, APS-TEMED）引发的AP水凝胶的红外光谱图. (B) TPO和2959引发AP水凝胶的光聚合动力学对比.(C) TPO和APS-TEMED引发的AP水凝胶的应力-拉伸行为对比. (D,E) UV固化弹性体分别与由水溶性TPO-和APS-TEMED–引发的水凝胶的粘接说明. (F-K) 3D打印出的AP水凝胶-聚合物样品单轴拉伸测试 Tango 弹性体(F),Vero刚性聚合物(G), Agilus弹性体(H), PEGDA (I), 甲基丙烯酸酯SMP (J), 类ABS聚合物(K),  (I to Q) 分别是相应的断裂照片.

Fig. 4. 3D打印的刚性聚合物增强的水凝胶复合物. (A-C) 马蹄形刚性聚合物增强的水凝胶复合物. (A) 各向同性的复合物照片. (B) 单轴拉伸前（左）和拉伸175%（右）的照片. (C) 纯水凝胶和水凝胶复合物的应力-应变行为对比. (D-F) 立方结构刚性聚合物增强的水凝胶复合物. (D) 打印的复合物立方体的照片：有硬度梯度. (E)打印的复合物立方体的正视图：构架杆的直径由0.5mm降低到0.2mm. (F) 测量的压缩模量：纯水凝胶和不同直径构架杆刚性聚合物立方体增强的水凝胶. (G) 由立方结构增强的水凝胶打印出的半月板. (H-K) 位置1-4的相应微结构的显微照片(比例尺,500 μm).

Fig. 5. 打印的拥有药物释放功能的形状记忆支架

Fig. 6. 打印的带有水凝胶应变传感器的柔性气动装置