水凝膠是由親水性三維聚合物網(wǎng)絡(luò)以及大量的水組成的一種典型軟材料,廣泛應(yīng)用于柔性電子、軟體機(jī)器人和生物醫(yī)療領(lǐng)域。結(jié)合3D打印技術(shù),深入探索水凝膠的定制化制造,可使其應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。由于水凝膠的前驅(qū)液通常很難直接用于3D打印,大多數(shù)3D打印技術(shù)都需要對初始的水凝膠前驅(qū)液進(jìn)行調(diào)整,因此在3D打印水凝膠的研究中,如何在不損失打印效能的情況下盡可能保持其功能以及打印更高含水量的水凝膠具有重要意義;另一方面,單一水凝膠的3D打印已經(jīng)不能滿足水凝膠復(fù)雜的實(shí)際應(yīng)用,因此開發(fā)基于水凝膠的多材料3D打印技術(shù)尤為重要;近年來,水凝膠材料由于具有可逆大變形能力和對各種化學(xué)或物理刺激的智能響應(yīng)能力,4D打印水凝膠已經(jīng)成為模擬仿生變形結(jié)構(gòu)的一個(gè)新興途徑。除了對上述問題開展研究外,本文還建立了適合3D打印水凝膠各向異性溶脹的本構(gòu)模型,為4D打印復(fù)雜構(gòu)型水凝膠提供了力學(xué)理論基礎(chǔ)。本論文的主要研究內(nèi)容如下:（1）發(fā)展多功能水凝膠3D打印技術(shù)。優(yōu)良的內(nèi)部支撐材料將提供水凝膠可打印的能力,但不影響水凝膠的功能性。本文基于墨水直寫3D打印方法使用了一種高效的（最低含量只需要0.5%）內(nèi)部支撐材料Carbomer,實(shí)現(xiàn)了多... 

【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：116 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

墨水直寫打印水凝膠的方式：(a)水凝膠打印在支撐材料中[44]，(b)水凝膠打印在能與之反應(yīng)的溶液中[45]，(c，d)外部刺激（紫外光燈）引起水凝膠快速[46,47][48]

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論5能與平臺(tái)移動(dòng)的距離匹配。因此根據(jù)所打印的材料選取合適的光引發(fā)劑和阻光劑顯得尤為重要。DLP打印又可以根據(jù)平臺(tái)向上(bottom-up)或者向下(top-down)移動(dòng)的方向分為兩種打印方法（如圖1-2a）[58]。如果接受投影的平臺(tái)是向上移動(dòng)的，通常盛有樹脂容器的底板需要有良好的透光性，且上面覆著一層透氧薄膜用來防止打印結(jié)構(gòu)粘在底板上。如果接受投影的平板是向下移動(dòng)的，那么平臺(tái)與樹脂液面的初始距離需要滿足固化條件。利用水凝膠材料可以通過紫外光固化交聯(lián)的特點(diǎn)，研究者們開始用數(shù)字光處理的方式進(jìn)行水凝膠3D打櫻圖1-2數(shù)字光處理(DLP)打印水凝膠。(a)數(shù)字光處理的兩種打印方式：Top-Down和Bottom-Up[58]。(b)DLP打印生物凝膠并進(jìn)行細(xì)胞封裝[59]。(c)DLP打印導(dǎo)電水凝膠[60]。(d)DLP打印高拉伸性的水凝膠[61]。Chan等[59]利用數(shù)字光處理的方式打印了生物相容性良好的聚乙二醇雙丙烯酸酯(PEGDA)水凝膠（如圖1-2b）。他們將水凝膠的前驅(qū)液和細(xì)胞混合在一起并放入打印容器中，再利用DLP打印系統(tǒng)直接投影紫外光在容器中打印水凝膠盒

浙江大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論7近也開始有研究者利用雙光子打印超高精度的水凝膠結(jié)構(gòu)，開發(fā)高性能的光敏水凝膠，既可以擴(kuò)大水凝膠的應(yīng)用范圍，又能給許多微技術(shù)提供新功能。Ovsianikov[65]等以PEGDA為載體，通過雙光子打印技術(shù)制備了多孔的三維水凝膠支架，并通過激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移技術(shù)將細(xì)胞植入水凝膠支架中。雙光子打印和激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移結(jié)合為實(shí)現(xiàn)微尺度上的三維多細(xì)胞組織構(gòu)建提供了一條途徑。圖1-3(a)常規(guī)雙光子打印裝置的示意圖[64]。(b)Kawata利用雙光子技術(shù)打印的公牛模型[63]。(c)雙光子技術(shù)打印水凝膠支架并進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)[65]。在另一項(xiàng)工作中，Xing[66]等人以分子量為700Da的PEGDA為單體和交聯(lián)劑，制備了類似于細(xì)胞支架的木樁結(jié)構(gòu)水凝膠。他們將水凝膠的激光閾值能量大幅降低，分辨率大幅提高。這項(xiàng)工作提供了一種綠色和方便的方法，通過雙光子打印在水介質(zhì)中制造三維水凝膠。1.2.4現(xiàn)有3D打印水凝膠方法的對比現(xiàn)階段針對水凝膠的3D打印方法主要包括以上三種，三種方法在各自擅長的領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。本文根據(jù)打印速度、打印精度、打印材料的擴(kuò)展性對這三種打印方法進(jìn)行討論（結(jié)果如表1）。


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