[发明专利]一种基于等流变特性的全支撑水凝胶3D打印方法

说明书

本发明属于3D打印技术领域，更具体地，涉及一种基于等流变特性的全支撑水凝胶3D打印方法。其以海藻酸钠和丙烯酰胺双网络水凝胶作为打印材料，以钙离子交联的海藻酸钠水凝胶为打印支撑，利用支撑材料与打印原材料在同一交联条件下具有不同的交联程度，且所述打印原材料成胶后所述支撑材料仍保持黏弹性流体状态，将支撑材料挤出即得到水凝胶。打印得到的水凝胶结构稳定，且方法实现容易，易操作，可连续、稳定、均匀打印复杂悬空三维形状的水凝胶模型，由此解决现有水凝胶3D打印技术中的低精度和复杂悬空结构不易打印的技术问题。

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，更具体地，涉及一种基于等流变特性的全支撑水凝胶3D打印方法。

背景技术

3D打印技术是增材制造技术的一种，可实现快速成形。3D打印机以数字模型文件为基础，通过计算机数据模型与快速自动成型系统相结合，实现层层粘合来制造三维的物体，现阶段3D打印技术发展迅速，被广泛应用于各个场合。水凝胶因其高含水量和类似于细胞外基质的特点，是3D生物打印和人工器官制备的首选基材，从而成为化学、材料和生命医学领域研究的热点。

但是，由于水凝胶流变特性，以及不易固化，目前在打印水凝胶的3D打印方面存在很多不足，难以满足3D打印所要求的高打印精度、快速成型和高力学性能等苛刻条件。例如现有技术CN 107139447 A公开了一种3D打印海藻酸钠水凝胶的方法，利用注射器挤出方式控制水凝胶挤出量，在含有氯化钙的水溶液中打印，利用水支撑打印模型，同时与钙离子交联，在打印过程中交联固化得到水凝胶，虽然可以实现打印交联同时进行，但是由于海藻酸钠与钙离子接触是不均匀的，得到的交联效果不显著，很难得到韧性较好的海藻酸钠水凝胶。另外，在钙离子水溶液中打印虽然可以起到支撑的作用，但是打印头移动过程中产生的扰动水波会严重影响打印精度，大大降低了3D打印的效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于等流变特性的全支撑水凝胶3D打印方法，其以海藻酸钠和丙烯酰胺双网络水凝胶作为打印材料，以钙离子交联的海藻酸钠水凝胶为打印支撑，打印得到的水凝胶结构稳定，且方法实现容易，易操作，可连续、稳定、均匀打印复杂悬空三维形状的水凝胶模型，由此解决现有水凝胶3D打印技术中的低精度和复杂悬空结构不易打印的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于等流变特性的全支撑水凝胶3D打印方法，包括如下步骤：

(1)打印原材料置于3D打印第一挤出头中，支撑材料置于3D打印第二挤出头中；

(2)根据所述打印原材料的粘度，向所述支撑材料中加入纳米粘土，以使得所述打印原材料和所述支撑材料具有等流变特性；

(3)采用双挤出头全支撑模式，按照待打印水凝胶模型的切片，在实体位置打印原材料，在空腔位置打印支撑材料，层层交替打印堆积后，获得具有全支撑填充的水凝胶实体模型；

(4)将所述水凝胶实体模型置于光照下，辅以加热，使所述打印原材料发生光交联和热交联，所述支撑材料发生热交联，利用所述支撑材料与所述打印原材料在同一交联条件下具有不同的交联程度，且所述打印原材料固化成胶后，位于其空腔位置的所述支撑材料交联后仍保持黏弹性流体状态，将交联的所述支撑材料与固化成胶的所述打印原材料分离即得到水凝胶模型。

优选地，以交联的海藻酸钠和丙烯酰胺双网络水凝胶作为3D打印原材料；以钙离子交联的海藻酸钠作为支撑材料。

优选地，所述交联的海藻酸钠和丙烯酰胺双网络水凝胶按照如下方法获得：

将含有N,N’-亚甲基二丙烯酰胺(MBAA)、亚甲基乙二胺和海藻酸钠的溶液A与含有丙烯酰胺、二水合硫酸钙以及过硫酸铵的溶液B，按照体积比1:1混合，得到交联的海藻酸钠和丙烯酰胺双网络水凝胶。