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3D打印被认为是构建复杂3D结构的一种可持续方法。然而传统的逐点或逐层添加制造模式不可避免地产生阶梯效应，这对实现3D结构的平滑性和均匀性构成了障碍。
在本期谷.专栏分享的科研成果中，来自中科院化学研所的宋延林团队提出了一种基于数字光处理（DLP）的连续液膜约束打印方法，来制作高精度的3D结构。通过控制液-固界面和连续打印，粘附在固化结构上的液体薄膜被吸入到固化结构中，同时多余的墨水被刮掉，从而消除阶梯效应。约束液膜的形态和尺寸可以通过油墨特性和打印参数来进行调节，优化结构表面平滑度和打印保真度。
此外，连续液膜约束还可以抑制热积累和热扩散，保证较长时间的打印稳定性。制得的隐形眼镜中心厚度约135 μm，平滑度低于1.3 nm，成像分辨率高达228.1 lp/mm，具有良好的光学性能、机械强度和生物相容性，与商用隐形眼镜相当。
科研成果解析
图1 墨水配方和连续液膜约束打印方法原理示意图
如图1所示，打印墨水包括甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）、1-乙烯基-2-吡咯烷酮（NVP）和3-（三甲氧基硅基）甲基丙烯酸丙酯（KH-570），用于打印隐形眼镜，可以确保打印结构具有适当的含水量、良好的机械强度和生物相容性。在打印过程中，固化结构连续受到墨水和固化界面的限制，结构外包裹上一层液膜，通过控制约束液膜厚度，在结构不被过度覆盖的情况下，可以填充相邻层的间隙，从而消除阶梯效应，获得侧壁光滑的3D结构，并且可以绕过打印后清洗粘附墨水的步骤，提高打印效率。
如图2所示，研究人员分析了连续液膜约束打印方法消除阶梯效应的原理。连续液膜约束打印方法使未固化墨水吸入固化层结构，并填充相邻层的间隙，以消除阶梯效应和锯齿状侧壁，也可作为液体刮刀，刮掉粘附在固化结构上的多余墨水，确保结构的保真度。通过协同调节液滴直径和墨水粘度，可以将约束液膜的厚度调节至适当范围，从而实现具有光滑侧壁的3D结构的打印。此外，约束液膜还可以作为热交换界面，通过连续打印抑制固化过程中的热积累和热扩散，提高打印稳定性。
图2 连续液膜约束消除阶梯效应的原理
如图3所示，通过打印平台连续提拉，获得具有光滑侧壁的隐形眼镜，具有一定的实际应用潜力。研究人员测量了制造的隐形眼镜的光学特性，包括透射率、折射率和光学分辨率，以证明其作为光学元件的能力。溶胀后的隐形眼镜在可见光范围内显示出超过96%的优良透射率，棱镜耦合测试仪表征的膨胀结构的折射率约为1.433，与商用隐形眼镜相当。此外，溶胀后的隐形眼镜具有很高的光学成像分辨率，在可见光谱上显示出广泛而显著的光学质量，能够满足作为光学元件的要求。
图3 连续液膜约束打印的隐形眼镜的光学性能
如图4所示，研究人员进一步表征了制造的隐形眼镜的生物相容性，在浸提液中培养的人胚胎肾细胞293（HEK 293）的存活率约为91.2±0.2%，表明溶胀型隐形眼镜的浸提液具有较低的细胞毒性。在制造的隐形眼镜上接种并培养HEK 293，该结构表面上的细胞可以被冲走，几乎没有细胞粘附在结构上，表明制造的隐形眼镜足够光滑且具有良好的生物相容性。
图4 连续液膜约束打印的隐形眼镜的机械强度和生物相容性
综上所述，研究人员开发了一种连续液膜约束打印方法，以制造具有光滑侧壁的3D结构，消除阶梯效应，并大大提高z轴打印精度。在液-固界面的约束下，通过调节油墨特性和打印参数，控制液膜厚度，粘附在打印结构上的液膜可用于填充阶梯结构，并且无额外粘附，省略后清洗步骤。在较长时间的连续打印下，热积累和热扩散也会受到液膜的抑制，因此可以稳定地制造具有光滑侧壁、高光学质量、良好机械强度和生物相容性的隐形眼镜结构。
相关论文“Suppressing step effect of 3D printing for constructing contact lens”发表于杂志Advanced Materials上。(https://doi.org/10.1002/adma.202107249)
—作者— Yu Zhang,Lei Wu,Miaomiao Zou,Lidian Zhang,Yanlin Song
Key Laboratory of Green Printing, Beijing National Laboratory for Molecular Sciences (BNLMS), Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 P. R. China
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