[发明专利]一种高强度水凝胶作为打印墨水在光固化3D打印上的应用

说明书

本发明公开了一种高强度水凝胶作为打印墨水在光固化3D打印上的应用，所述高强度水凝胶包括带有羧酸基团的单体、ZrOCl₂、光引发剂、光吸收剂和去离子水。本发明提供的高强度水凝胶适用于3D打印且可对水凝胶结构进行精细化控制，打印后可用于制备软材料结构件。

技术领域

本发明涉及水凝胶材料和光固化(DLP)3D打印技术领域，具体涉及一种高强度水凝胶作为打印墨水在光固化3D打印上的应用。

背景技术

光固化3D打印是一种高效的增材制造技术，无需昂贵和耗时的制造过程就可以获得复杂的、精度高的结构。目前，光固化3D打印的材料系统主要局限于固化速度快、刚度高的树脂，以避免因重力作用降低打印结构的精细度和高保真度。由于水凝胶在组织工程、软驱动器/机器人、柔性电子器件等方面的应用前景广阔，因此光固化3D打印具有高精度和复杂结构的水凝胶将很大程度上进一步扩大水凝胶的精细化应用。目前制约水凝胶DLP打印的主要原因是大多数凝胶材料的刚度较低，不能很好地抵抗重力的影响，这给DLP打印高分辨率的水凝胶结构带来了很大的挑战。这一问题极大地阻碍了具有复杂结构的水凝胶的发展及其应用。

光固化3D技术可分为“自下而上”和“自上而下”两种打印方式。对于“自下而上”的打印方式，在打印过程中移动的平台向下放入树脂槽中然后从液体中向上拉起，激光投影仪投射图案光刺激液体树脂局部聚合成一定厚度的固体层，重复以上的过程，最后打印出的模型倒置在打印平板上。而在“自上而下”的方法中，树脂槽中的溶液不仅作为新的前驱体的供应来源，而且提供浮力来支持打印结构。近年来，通过“自上而下”的方法打印具有复杂结构的软水凝胶是利用前驱体溶液来提供浮力并支持柔性结构实现的。例如，Ge等人使用“自上而下”投影方法通过改变前驱体溶液中交联剂的浓度成功打印了可拉伸聚丙烯酰胺水凝胶，该水凝胶结构的杨氏模量可从7kPa调整到260kPa(Zhang B.；Li S.；HingoraniH.；Serjouei A.；Larush L.；Pawar A.A.；Goh W.H.；Sakhaei A.H.；Hashimoto M.；Kowsari K.；Magdassi S.；Ge Q.；J.Mater.Chem.B,2018,6,3246.)。但是，这种方法对于一些在前驱体中溶胀较严重的体系来说依然不适用。Roppolo等人也利用了“自下而上”的打印方式打印弱凝胶，但是打印精度较低(Caprioli M.；Roppolo I.；Chiappone A.；LarushL.；Pirri C.F.；Magdassi S.；Nat.Commun.2021,12,2462.)。所以目前DLP光固化3D打印水凝胶主要存在以下问题：1、力学性能较差的水凝胶通过“自下而上”打印，打印精度差，保真度低。2、打印得到的水凝胶强度弱，限制了水凝胶的广泛应用。3、缺少高效的、水溶性的引发剂，这限制了直接3D打印高含水量的复杂结构水凝胶。

开发适用于光固化3D打印的坚硬水凝胶体系，特别是使用“自下而上”的打印方式，将为具有精细结构和高强性能的凝胶材料打开更广阔的应用机会。尽管近二十年来已经开发出了多种韧性水凝胶，由于反应速度慢和/或逐步凝胶和增韧过程，适合DLP打印的体系很少。有些策略可以用来缓解上述问题。例如，应用后增韧步骤来增强打印水凝胶的力学性能，然而，在增韧过程之前，很难转移具有精细结构的脆弱凝胶并保持其形状保真度。因此，迫切需要探索适合DLP印刷的新型材料体系，以扩大韧性水凝胶的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度水凝胶作为打印墨水在光固化3D打印上的应用，本发明提供的高强度水凝胶适用于3D打印且可对水凝胶结构进行精细化控制，打印后可用于制备软材料结构件。

本发明提供如下技术方案：

一种高强度水凝胶作为打印墨水在光固化3D打印上的应用，所述高强度水凝胶包括带有羧酸基团的单体、ZrOCl₂、光引发剂、光吸收剂和去离子水。