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

來源：高分子科技

隱形眼鏡傳統(tǒng)的制備方法涉及復(fù)雜且耗時的多種步驟及拋光工藝。近年來，各種3D打印技術(shù)，如熔融沉積3D打�。‵DM）、墨水直寫打印（DIW）及基于UV固化的3D打�。⊿LA，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，因而受到廣泛關(guān)注。然而，由于傳統(tǒng)的逐點或逐層增材制造模式不可避免地會產(chǎn)生臺階效應(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，難以滿足實際應(yīng)用需要。因此，減少臺階效應(yīng)和實現(xiàn)高精度對于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。

針對逐層打印中的臺階效應(yīng)，宋延林研究員團隊提出了一種基于數(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)上的液體樹脂被吸進固化層結(jié)構(gòu)中，同時掉附著在固化結(jié)構(gòu)上的多余樹脂被刮除，消除了臺階效應(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)打印過程中的熱累積及熱擴散，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96%和228.1 lp/mm。

圖1. 紫外可固化硅水凝膠樹脂系統(tǒng)及連續(xù)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(yīng)用于隱形眼鏡結(jié)構(gòu)的制備。該團隊開發(fā)了一種可用于DLP 3D打印的紫外可固化硅水凝膠樹脂系統(tǒng)用于隱形眼鏡結(jié)構(gòu)的制備（圖1a）。在連續(xù)打印過程中，固化結(jié)構(gòu)始終受到液體樹脂和固化結(jié)構(gòu)界面的限制，這使得薄液體樹脂膜包裹在固化結(jié)構(gòu)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(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打印策略下的臺階效應(yīng)消除機理

臺階效應(yīng)的消除是通過控制固化結(jié)構(gòu)外粘附液膜的覆蓋方式（吸入、填充及刮除）實現(xiàn)的。由于3D打印過程中的潤濕行為和毛細現(xiàn)象，包覆在打印結(jié)構(gòu)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(yīng)。如圖2所示，在連續(xù)打印過程中，通過協(xié)同調(diào)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(yīng)、打印出具有光滑側(cè)壁的3D結(jié)構(gòu)的同時，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散，確保了長時間打印的穩(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228.1 lp/mm和96% （圖3b-c）。對從不同角度打印的啞鈴狀結(jié)構(gòu)進行機械性能表征，由圖3d可知，溶脹的啞鈴狀結(jié)構(gòu)具有各向同性的機械性能，無方向依賴性，進一步說明臺階效應(yīng)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(jié)構(gòu)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(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。該項工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、北京分子科學(xué)國家研究中心的支持。

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