中科院化学所《Adv. Mater.》：消除3D打印台阶效应，制备高精度隐形眼镜结构

隐形眼镜传统的制备方法涉及复杂且耗时的多种步骤及抛光工艺。近年来，各种3D打印技术，如熔融沉积3D打印（FDM）、墨水直写打印（DIW）及基于UV固化的3D打印（SLA，DLP）已被应用于各种光学结构的制备。在这些方法中，使用树脂液滴的3D打印策略，包括喷墨打印及液滴内UV固化的打印技术，由于其可按需制备3D结构且可操作性强，因而受到广泛关注。然而，由于传统的逐点或逐层增材制造模式不可避免地会产生台阶效应，这限制了垂直打印的精度，使得打印结构性质各向异性。尽管双光子聚合打印技术（TPP）可提高表面光滑度，但由于其效率低和设备复杂，难以满足实际应用需要。因此，减少台阶效应和实现高精度对于3D打印技术在光学结构中的应用具有重要意义。
针对逐层打印中的台阶效应，宋延林研究员团队提出了一种基于数字光处理（DLP）技术的连续液膜限制的3D打印策略，实现了高精度3D结构的制备。在液-固界面的约束及连续打印模式下，附着在固化结构上的液体树脂被吸进固化层结构中，同时掉附着在固化结构上的多余树脂被刮除，消除了台阶效应，避免了后清洗步骤，确保了打印保真性。除此之外，还抑制了连续打印过程中的热累积及热扩散，确保了打印稳定性。基于该策略可制备出中心厚度约为135 μm的厘米级隐形眼镜结构。该结构具有极高的光滑度（粗糙度小于1.3 nm）、均匀的机械性能、高生物相容性以及优异的光学性质，其透光性及成像分辨率高达96%和228.1 lp/mm。

图1. 紫外可固化硅水凝胶树脂系统及连续液膜限制的3D打印过程的示意图

硅水凝胶由于其合适的含水量和透氧性被广泛应用于隐形眼镜结构的制备。该团队开发了一种可用于DLP 3D打印的紫外可固化硅水凝胶树脂系统用于隐形眼镜结构的制备（图1a）。在连续打印过程中，固化结构始终受到液体树脂和固化结构界面的限制，这使得薄液体树脂膜包裹在固化结构外。通过对受限液膜的控制，可以在不过度包覆的情况下填充相邻固化层之间的间隙，消除阶梯效应，获得侧壁光滑的三维结构（图1b）。

图2. 连续液膜限制的3D打印策略下的台阶效应消除机理

台阶效应的消除是通过控制固化结构外粘附液膜的覆盖方式（吸入、填充及刮除）实现的。由于3D打印过程中的润湿行为和毛细现象，包覆在打印结构上的液膜无处不在，该团队利用这些通常被冲洗掉的树脂作为过渡层来消除台阶效应。如图2所示，在连续打印过程中，通过协同调控树脂黏度和液滴直径，可以很好地控制粘附液膜的尺寸和形貌，使得液膜厚度可控，从而在消除台阶效应、打印出具有光滑侧壁的3D结构的同时，还确保了打印的高保真度。此外，该连续液膜限制的3D打印策略还抑制了热积累和热扩散，确保了长时间打印的稳定性。

图3. 3D打印隐形眼镜结构及其性能表征

如图3a所示，随着支撑板的连续提升，可得到具有光滑侧壁的隐形眼镜结构。该溶胀的隐形眼镜结构具有优异的光学性质，其成像分辨率和透光性高达228.1 lp/mm和96% （图3b-c）。对从不同角度打印的哑铃状结构进行机械性能表征，由图3d可知，溶胀的哑铃状结构具有各向同性的机械性能，无方向依赖性，进一步说明台阶效应的消除。同时，该溶胀的隐形眼镜具有适宜的平衡含水量和透氧量（图3e），且溶胀结构本身和浸渍液均无细胞毒性和具有低细胞粘附特性（图3f-g），表明其能够满足实际应用的生物相容性要求。
该工作以“Suppressing Step Effect of 3D Printing for Constructing Contact Lens”为题发表在Advanced Materials（DOI：10.1002/adma.202107249）上。论文的第一作者为中科院化学所博士生张虞，通讯作者为宋延林研究员，共同通讯作者为中科院化学所吴磊副研究员。该项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会、北京分子科学国家研究中心的支持。