全文3300字，阅读需5分钟。本文分享关于体积光固化3D打印的新配方研究，保持高分辨同时降成本。
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AM易道导语：
对于光固化领域有所研究的读者都对体积光固化（VAM）3D打印技术有所关注。
作为3D打印领域的"超新星"，VAM技术以其惊人的速度和精度，正在逐步拓宽我们对光固化3D打印的发展想象。
然而，一个关键瓶颈阻碍了它的脚步：高昂的材料成本（往往需要高分子量材料）和有限的材料选择严重制约了VAM的广泛应用。
本文分享的是，来自美国俄勒冈大学的研究团队的预印论文（未经同行评审）带来新的突破：
他们开发出了一种基于聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和海藻酸盐的创新型水凝胶材料。
这项创新不仅大幅降低了材料成本（约1000倍），还实现了与VAM初始文献报道中最高水平相当的39微米级打印分辨率。
这项突破性研究不仅解决了VAM技术面临的材料难题，更为生物医学工程、微流控技术和软体机器人等前沿领域开辟了全新天地。
体积光固化增材制造：一种颠覆性的3D打印技术
体积光固化增材制造（VAM）是近年来备受瞩目的3D打印新技术。与传统的层层堆积式3D打印不同，VAM技术借鉴了医学成像的断层扫描原理，能够在30秒内快速成型复杂的三维结构，同时还可以在打印过程中加入生物组分。
然而，VAM技术在材料选择上一直面临着挑战。
传统的VAM生物墨水通常需要使用高分子量的材料来实现物理凝胶化，以确保打印过程中的形状保持。
这不仅限制了材料的选择范围，也大大提高了成本。
VAM的独特成型原理：全方位光固化
VAM的成型过程与传统的层层堆积式3D打印有着本质的区别。
VAM技术利用了计算机断层成像（CT）的原理，实现了整个体积的同时固化。
这一过程可以形象地比喻为"3D照相"，只不过"相机"被替换成了精密控制的光源系统。
具体来说，VAM的打印过程是这样的：
1. 将光敏树脂装入一个透明的圆柱形容器中。
2. 一系列精心设计的2D图案会从不同角度投射到树脂中。每个2D图案都对应着3D模型的一个"切片"。
关键在于，这些光束并不是简单地照射树脂表面，而是能够穿透整个液体体积。
3. 通过快速旋转容器（通常是360度旋转），同时精确控制每个角度的光照强度和时间，VAM系统能够在树脂的特定区域累积足够的光能，使其固化。
而其他区域由于接收到的光能不足，仍然保持液态。
这个过程通常只需要20-30秒就能完成整个模型的打印。
值得注意的是，VAM技术的成功关键在于光的精确控制和材料的特性。光的投射需要考虑衰减、散射等因素，因此需要复杂的算法来优化每个角度的光照模式。
同时，材料必须具有合适的光敏性和粘度，以确保在快速旋转过程中保持形状，同时又能在正确的位置固化。
突破性的水凝胶材料配方
针对上述挑战，以Patrick C. Hall为首的研究团队开发出了一种创新的hydrogel材料配方。
这种材料以低分子量的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）为主要成分，通过添加少量的海藻酸盐（Alg）来调节粘度，从而实现了VAM技术对材料的要求。
具体来说，
研究团队使用了平均分子量为250 g/mol和700 g/mol的PEGDA，按1:3的重量比混合，再加入0.5 wt%的海藻酸盐（Mn ≈ 300,000 g/mol）。
这种配方不仅大大降低了材料成本，还显著提高了打印精度和分辨率。
让我们来仔细看看这项研究的核心发现，如图所示：
上图A展示了这种新型hydrogel材料的化学结构组成，包括PEGDA、海藻酸盐（Alg）和光引发剂LAP。
图B清晰地显示了添加海藻酸盐后，溶液粘度的显著提升。这种粘度的增加对于VAM打印至关重要，因为它能够防止打印过程中材料的扩散。
图C和D进一步证实了这一点。
在没有添加海藻酸盐的情况下，15 wt% PEGDA溶液打印出的结构出现了严重的变形和扩散。
相比之下，添加了0.5 wt%海藻酸盐后，打印出的结构保持了完美的形状和细节。这种差异直接体现了海藻酸盐在提高打印质量方面的关键作用。
体积光固化材料性能的突破性提升
研究团队对这种新型材料进行了全面的性能测试。结果显示，添加0.5 wt%的海藻酸盐后，材料的粘度从不到1 mPas提高到了约50 mPas，这个粘度范围非常适合VAM技术的需求。
更令人兴奋的是，这种材料展现出了优异的力学性能和含水量调节能力。
通过调整PEGDA的浓度（5%、10%、15%），研究人员成功制备出了杨氏模量从14 ± 4 kPa到289 ± 121 kPa不等的hydrogel材料，对应的平衡含水量分别为96.8 ± 0.3%、91.2% ± 0.8%和84.1% ± 0.9%。
这种广泛的性能范围为不同应用场景提供了灵活的选择。
下图详细展示了这些材料性能：
图A-D展示了材料的吸光度、凝胶点、杨氏模量和平衡含水量随PEGDA浓度的变化。
值得注意的是，添加海藻酸盐后，材料在405nm波长处的吸光度略有增加，这可能是由于海藻酸盐和PEGDA之间的微相分离导致的光散射。
图E-G进一步展示了材料的光谱特性、光流变学分析结果和应力-应变曲线。
这些数据清楚地表明，通过调整PEGDA的浓度，我们可以精确控制材料的机械性能和凝胶化过程。
高分辨率3D打印的实现
研究团队还对这种新型材料的打印分辨率进行了详细的测试和分析。
结果令人振奋：使用15 wt% PEGDA + 0.5 wt% Alg配方，他们成功实现了39 ± 7 μm的最小特征尺寸打印。
这一分辨率水平堪称业界顶尖，为微观尺度的精细结构打印开辟了新的可能。
下图展示了这些打印分辨率的测试结果：
图A显示了不同PEGDA浓度下打印结构的杨氏模量，以及后处理（二次光照）对模量的影响。
这一结果表明，我们可以通过简单的后处理步骤进一步调节打印结构的机械性能。
图B和C展示了用于测试负特征（通道）和正特征（星形结构）分辨率的打印样品。
图D总结了不同PEGDA浓度下的最小特征尺寸，清楚地显示出15 wt% PEGDA + 0.5 wt% Alg配方在正特征打印方面的优越性。
复杂结构的3D打印实现
为了进一步展示这种新型材料的潜力，研究团队成功打印了一系列复杂的三维结构。这些结构不仅展示了材料的高分辨率和精细度，还证明了它在制造功能性结构方面的潜力。
下图展示了这些令人惊叹的打印成果
图A展示了一个"DNA"双螺旋结构，螺旋臂的直径为1mm，横杆直径仅为200μm。
图B是一个多面体晶格结构，展示了材料在打印高孔隙率、低强度结构方面的能力。
图C可能是最引人注目的：一个"热气球"结构，外径5mm，壁厚500μm，底部篮子尺寸1.5mm³，连接绳索直径仅200μm。
这种能够"容纳空气"的凝胶结构为研究细胞对气-液界面的响应（如肺、皮肤和眼部组织工程）提供了独特的平台。
图D展示了一个拓扑互锁的链条结构，每个环节都是独立的，可以自由弯曲、伸展和拉伸。
这种结构的成功打印证明了该材料在制造复杂、可动的柔性结构方面的潜力。
写在最后
AM易道认为，这项研究为VAM3D打印技术的广泛应用铺平了道路。
低成本、高分辨率的PEGDA-Alg 凝胶材料有望推动VAM技术可以激活在生物医学工程、微流控技术、软体机器人等领域的快速发展。
总的来说，这项研究为VAM体积光固化3D打印技术注入了新的活力，也为3D打印行业开辟了新的发展方向。
注：本文基于Patrick C. Hall等人发表在ChemRxiv预印本平台上的研究论文《A versatile and high-resolution hydrogel platform for volumetric additive manufacturing based on poly(ethylene glycol) diacrylate and alginate blends》
原文DOI: https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2024-jwwl5
（正文内容结束）
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