生物材料

水凝胶

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水凝胶是一种具有高水含量的亲水性或双亲性聚合物三维网络。由于水凝胶具有良好的生物相容性,以及与人体软组织相似的力学性质,因此被广泛应用于组织工程支架材料与药物的可控释放中。

基于微挤出式的水凝胶3D打印技术是生物制造中最常用的增材制造技术,为定制复制品的开发提供了令人难以置信的进步,它模仿了具有受控几何形状和特性的自然结构。

研究进展

通过DLP进行具有SH特性的水凝胶的3D打印允许制造具有复杂结构的对象,包括具有尖锐边缘的悬垂和中空特征。这些水凝胶基于半互穿的聚合物网络,可实现打印对象的自我修复。在没有任何外部触发的情况下,材料可以迅速在室温下自主恢复。将样品切开两半重新连接后,样品可以承受变形,并在12小时后恢复了其初始强度的72%。

该方法使3D打印具有复杂结构的自修复水凝胶物体成为可能,可以有效应用在柔性机器人或是能量存储领域。

气凝胶

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水凝胶是一种具有高水含量的亲水性或双亲性聚合物三维网络。由于水凝胶具有良好的生物相容性,以及与人体软组织相似的力学性质,因此被广泛应用于组织工程支架材料与药物的可控释放中。

基于微挤出式的水凝胶3D打印技术是生物制造中最常用的增材制造技术,为定制复制品的开发提供了令人难以置信的进步,它模仿了具有受控几何形状和特性的自然结构。

应用

热管理

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保温材料广泛应用于航空航天、石油管道、工业熔炉、化学反应器、冷库、建筑等领域。仅就性能而言,气凝胶因其超低导热性而被广泛认为是最好的隔热材料之一。然而,气凝胶的脆性使其难于精确匹配于所需保护的物品或器件的外形。而3D打印技术可以解决气凝胶隔热材料的成型问题。

储能

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打印气凝胶已被验证用于超级电容器、锂离子金属电池、钠离子金属电池和混合储能设备,可以解决传统气凝胶复杂结构难以小型化和缺乏紧密连接、直通且无障碍多级孔道的挑战。以超级电容器应用为例,打印气凝胶电极的比容量明显优于非打印对比样,是其1.4-12.9倍,原因在于打印形成的有序大孔结构能改善电解质的离子扩散速率。

生物医学

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在生物医学领域,3D打印气凝胶主要用于组织工程、药物输送和生物传感等方面。以组织工程应用为例,3D打印样品比非打印样品生长的组织更厚,原因是打印形成的有序大孔与开孔纳米结构之间的连通性以及气凝胶自身的高孔隙率,更有利于细胞附着生长,为细胞提供了营养和氧气通道,加快了细胞副产物的代谢。