中科院化學(xué)所《Adv. Mater.》：消除3D打印臺(tái)階效應(yīng),，制備高精度隱形眼鏡結(jié)構(gòu)

來(lái)源：高分子科技

隱形眼鏡傳統(tǒng)的制備方法涉及復(fù)雜且耗時(shí)的多種步驟及拋光工藝,。近年來(lái),，各種3D打印技術(shù)，如熔融沉積3D打�,。‵DM）,、墨水直寫(xiě)打�,。―IW）及基于UV固化的3D打印（SLA,，DLP）已被應(yīng)用于各種光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備,。在這些方法中，使用樹(shù)脂液滴的3D打印策略,，包括噴墨打印及液滴內(nèi)UV固化的打印技術(shù),，由于其可按需制備3D結(jié)構(gòu)且可操作性強(qiáng)，因而受到廣泛關(guān)注,。然而,，由于傳統(tǒng)的逐點(diǎn)或逐層增材制造模式不可避免地會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階效應(yīng)，這限制了垂直打印的精度,，使得打印結(jié)構(gòu)性質(zhì)各向異性,。盡管雙光子聚合打印技術(shù)（TPP）可提高表面光滑度，但由于其效率低和設(shè)備復(fù)雜,，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需要,。因此，減少臺(tái)階效應(yīng)和實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)于3D打印技術(shù)在光學(xué)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有重要意義,。

針對(duì)逐層打印中的臺(tái)階效應(yīng),，宋延林研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種基于數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)的連續(xù)液膜限制的3D打印策略，實(shí)現(xiàn)了高精度3D結(jié)構(gòu)的制備,。在液-固界面的約束及連續(xù)打印模式下,，附著在固化結(jié)構(gòu)上的液體樹(shù)脂被吸進(jìn)固化層結(jié)構(gòu)中，同時(shí)掉附著在固化結(jié)構(gòu)上的多余樹(shù)脂被刮除,，消除了臺(tái)階效應(yīng),，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(xù)打印過(guò)程中的熱累積及熱擴(kuò)散，確保了打印穩(wěn)定性,�,；�于該策略可制備出中心厚度約為135 μm的厘米級(jí)隱形眼鏡結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有極高的光滑度（粗糙度小于1.3 nm）,、均勻的機(jī)械性能,、高生物相容性以及優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，其透光性及成像分辨率高達(dá)96%和228.1 lp/mm,。

圖1. 紫外可固化硅水凝膠樹(shù)脂系統(tǒng)及連續(xù)液膜限制的3D打印過(guò)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(yīng)用于隱形眼鏡結(jié)構(gòu)的制備,。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種可用于DLP 3D打印的紫外可固化硅水凝膠樹(shù)脂系統(tǒng)用于隱形眼鏡結(jié)構(gòu)的制備（圖1a）。在連續(xù)打印過(guò)程中,，固化結(jié)構(gòu)始終受到液體樹(shù)脂和固化結(jié)構(gòu)界面的限制,，這使得薄液體樹(shù)脂膜包裹在固化結(jié)構(gòu)外,。通過(guò)對(duì)受限液膜的控制，可以在不過(guò)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(yīng),，獲得側(cè)壁光滑的三維結(jié)構(gòu)（圖1b）。

圖2. 連續(xù)液膜限制的3D打印策略下的臺(tái)階效應(yīng)消除機(jī)理

臺(tái)階效應(yīng)的消除是通過(guò)控制固化結(jié)構(gòu)外粘附液膜的覆蓋方式（吸入,、填充及刮除）實(shí)現(xiàn)的,。由于3D打印過(guò)程中的潤(rùn)濕行為和毛細(xì)現(xiàn)象，包覆在打印結(jié)構(gòu)上的液膜無(wú)處不在,，該團(tuán)隊(duì)利用這些通常被沖洗掉的樹(shù)脂作為過(guò)渡層來(lái)消除臺(tái)階效應(yīng),。如圖2所示，在連續(xù)打印過(guò)程中,，通過(guò)協(xié)同調(diào)控樹(shù)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(tái)階效應(yīng),、打印出具有光滑側(cè)壁的3D結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還確保了打印的高保真度,。此外,，該連續(xù)液膜限制的3D打印策略還抑制了熱積累和熱擴(kuò)散，確保了長(zhǎng)時(shí)間打印的穩(wěn)定性,。

圖3. 3D打印隱形眼鏡結(jié)構(gòu)及其性能表征

如圖3a所示,，隨著支撐板的連續(xù)提升，可得到具有光滑側(cè)壁的隱形眼鏡結(jié)構(gòu),。該溶脹的隱形眼鏡結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì),，其成像分辨率和透光性高達(dá)228.1 lp/mm和96% （圖3b-c）。對(duì)從不同角度打印的啞鈴狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械性能表征,，由圖3d可知,，溶脹的啞鈴狀結(jié)構(gòu)具有各向同性的機(jī)械性能，無(wú)方向依賴(lài)性,，進(jìn)一步說(shuō)明臺(tái)階效應(yīng)的消除,。同時(shí)，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(jié)構(gòu)本身和浸漬液均無(wú)細(xì)胞毒性和具有低細(xì)胞粘附特性（圖3f-g）,，表明其能夠滿足實(shí)際應(yīng)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(fā)表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202107249）上,。論文的第一作者為中科院化學(xué)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(xué)所吳磊副研究員,。該項(xiàng)工作得到了科技部,、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì),、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心的支持,。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107249