Name: 微三维打印使用数字投影机和软材料力学的研究及其应用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 24 s
Description: 学习使用数字投影微立体光刻技术构建三维凝胶微制造工具，通过弹性失稳实现溶胀凝胶管的图案转变。该方法为软材料力学研究提供了快速、简便的实验手段。

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作者感谢伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Joseph Muskin 和 Matthew Ragusa 提供了图1D中所示3D结构的横截面图像。

1. 预聚物溶液的制备
<ol>
	<li>按1:2的质量比混合聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG-DA，平均分子量约575，Sigma-Aldrich）和聚乙二醇（PEG，平均分子量约200，Sigma-Aldrich）。</li>
	<li>加入0.67 wt.%的光引发剂（二苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰）氧化膦，Sigma-Aldrich）。从此步骤开始，溶液应始终保持在避光环境中。</li>
	<li>加入0.05 wt.%的光吸收剂（苏丹红I，Sigma-Aldrich）。</li>
	<li>在室温下使用磁力搅拌器搅拌溶液24小时。</li>
</ol>
2. 使用数字数据投影仪设置台式3D打印机
<ol>
	<li>将数字投影仪放置在平坦且稳定的位置，并将其连接到安装有 Microsoft PowerPoint 的计算机。</li>
	<li>在数字投影仪的光束输出镜头正前方放置一个凸透镜。选择凸透镜时，应使其焦平面距离投影仪约 10 cm。（焦距较短的透镜可获得更小的光学分辨率，但需预留一定空间用于放置其他光学元件。）</li>
	<li>在凸透镜后的光路中放置一面反射镜，使其与光束路径成 45° 角，以将光束垂直向下反射。</li>
	<li>在投影光束的焦平面处放置样品架。样品架应固定在直线位移台上，以便控制其垂直位置。</li>
	<li>在样品架正下方放置树脂槽。</li>
</ol>
3. 凝胶管的设计与制备
<ol>
	<li>确定待制备凝胶管的直径、壁厚和高度。</li>
	<li>绘制凝胶管的横截面图像，图像应为白色背景、黑色底色。将这些图像插入 Microsoft PowerPoint 幻灯片中。</li>
	<li>在 Microsoft PowerPoint 中启动幻灯片放映并投影任意图像。通过调节附带载物台的垂直位置，将样品 holder 置于焦平面。</li>
	<li>切换至“虚拟”黑色图像，以便在加入预聚液时不会发生不必要的聚合反应。</li>
	<li>将预聚物溶液倒入树脂槽中，加液至溶液刚好轻微覆盖样品台。此时即可开始打印三维物体。</li>
	<li>切换至含有凝胶管第一个横截面图像的幻灯片，以使第一层聚合。持续投影该图像8秒，然后切换回“黑屏”幻灯片。</li>
	<li>将线性平台上的旋钮旋转¼圈（约160 μm），以降低样品台。此时新鲜树脂流入，覆盖已聚合的第一层。</li>
	<li>再次投影横截面图像，以在前一层基础上聚合第二层。重复步骤3.6–3.8，直至制备出所需高度的凝胶管。</li>
	<li>所有层完成后，将样品台从预聚物溶液中取出，并用剃刀小心取下制备好的样品。</li>
	<li>用丙酮冲洗样品约 3 小时，然后使其干燥约 1 小时。</li>
</ol>
4. 通过弹性失稳实现预定图案形成的溶胀实验
<ol>
	<li>在透明玻璃皿中制备水-油双层液体。</li>
	<li>使用超级胶水将干燥样品固定在样品台上。</li>
	<li>翻转样品台，使样品倒置。将样品浸入水-油液体浴中，从油相一侧接近水-油界面。当样品接触水面时开始溶胀，而固定凝胶管的基底部分仍停留在上层油相中。通过这种方式，水可扩散进入管壁，使样品在基底因润湿而解除约束之前即开始膨胀。使用数码相机监测凝胶管膨胀过程中的形变模式变化。</li>
</ol>

<ol><li>Timoshenko, S. P., Gere, J. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aTimoshenko%2C+SP+%22Theory+of+Elastic+Stability%22">Theory of Elastic Stability</a>. , McGraw-Hill. (1961).</li>
<li>Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Leaves+Flowers+and+Garbage+Bags%3A+Making+Waves%5BTitle%5D)+AND+%22American+Scientist%22%5BJournal%5D)">Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves.</a> American Scientist. 92, 254-261 (2004).</li>
<li>Kücken, M., Newell, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fingerprint+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Theoretical+Biology%22%5BJournal%5D)">Fingerprint formation.</a> Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).</li>
<li>Liang, H., Mahadevan, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+shape+of+a+long+leaf%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">The shape of a long leaf.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).</li>
<li>Bayer, S. A., Altman, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBayer%2C+SA+%22The+human+brain+during+the+second+trimester%22">The human brain during the second trimester</a>. , Taylor & Francis. (2005).</li>
<li>Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creasing+instability+of+surface-attached+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Creasing instability of surface-attached hydrogels.</a> Soft Matter. 4, 564(2008).</li>
<li>Breid, D., Crosby, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+stress+state+on+wrinkle+morphology%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Effect of stress state on wrinkle morphology.</a> Soft Matter. 7, 4490(2011).</li>
<li>Mora, T., Boudaoud, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Buckling+of+swelling+gels%5BTitle%5D)+AND+%22The+European+Physical+Journal+E%22%5BJournal%5D)">Buckling of swelling gels.</a> The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).</li>
<li>DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Swelling-induced+instabilities+in+microscale%2C+surface-confined+poly%28N-isopropylacryamide%29+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels.</a> Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).</li>
<li>Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -A., Ben Amar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+Transition+in+Artificial+Tumors%3A+From+Smooth+Buckles+to+Singular+Creases%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases.</a> Physical Review Letters. 107, 018103(2011).</li>
<li>Jang, J. -H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+Pattern+Instability+and+Shape-Memory+Hysteresis+for+Phononic+Switching%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching.</a> Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).</li>
<li>Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prescribed+Pattern+Transformation+in+Swelling+Gel+Tubes+by+Elastic+Instability%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability.</a> Physical Review Letters. 108, 214304(2012).</li>
<li>Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Projection+micro-stereolithography+using+digital+micro-mirror+dynamic+mask%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).</li>
<li>Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Printing+Using+a+Photoinitiated+Polymer%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer.</a> Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

在基底上受限的管状水凝胶溶胀过程中，其稳定性仅取决于t/h，而屈曲模式仅取决于h/D12。制备了四组具有不同归一化厚度t/h的样品（I–IV），其中第I组较粗，第IV组较细长。每组包含四个具有不同归一化高度h/D的样品（i–iv），其中样品i较矮，样品iv较高。所制备样品的尺寸见表1。第I组和第II组设计为在溶胀过程中保持稳定，而第III组和第IV组则设计为在溶胀时发生屈曲并发生形变。对于发生屈曲的样品，其屈曲模式应随样品高度的增加而降低。图3A展示了实验结果。正如理论预测，第I组和第II组样品在溶胀过程中保持稳定并维持圆形，而第III组和第IV组样品均经历了弹性失稳并发生屈曲。此外，具有相同h/D的样品表现出相似的屈曲模式。图3B将第III组和第IV组样品在实验中观察到的屈曲模式与理论预测进行了比较。可以看出，无论厚度如何，具有相同h/D的样品均呈现出相同的屈曲后形貌，且实验结果与理论高度吻合。
我们介绍如何利用市售的数字数据投影仪构建一个简单的台式3D打印系统。该方法基于聚合物的光固化来构建三维结构，因此，只要光引发剂在可见光波长范围内具有适当的吸收特性，一般均可使用各种可光固化的聚合物。需要注意的是，许多市售光引发剂是为紫外（UV）波长设计的，而此处使用的光引发剂在波长大于400 nm时具有相对较高的吸收能力。该方法提供了一种快速、简便的三维物体制造途径，在包括软材料力学在内的多个领域具有广泛的应用前景，本文即展示了其在该领域的应用实例。

<table><tbody><tr><td>聚乙二醇二丙烯酸酯</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>437441</td><td>Mw~575</td></tr><tr><td>聚乙二醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3015</td><td>Mw~200</td></tr><tr><td>苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰)氧化膦</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>511447</td><td>光引发剂</td></tr><tr><td>苏丹红 I</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>103624</td><td>光吸收剂</td></tr><tr><td>数字数据投影仪</td><td>Viewsonic</td><td>PJD6221</td><td></td></tr><tr><td>凸透镜</td><td>Thorlabs</td><td>LA1145</td><td>f = 75.0 mm</td></tr><tr><td>反射镜</td><td></td><td></td><td>4&quot; 硅晶圆</td></tr><tr><td>手动载物台</td><td>Velmex</td><td>A2506DE-S2.5</td><td></td></tr></tbody></table>

使用数字投影仪的微尺度3d打印及其在软材料力学研究中的应用

Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics

屈曲是力学中的一个经典课题。虽然屈曲长期以来一直被视为主要的结构失效模式之一1，但最近因其作为一种独特图案转变机制而受到新的关注。自然界中充满了通过力学失稳形成丰富奇异图案的实例2-5。受这种精巧机制的启发，许多研究已证明可利用软材料（如弹性体和水凝胶）实现图案的生成与转变6-11。其中，溶胀凝胶尤其引人关注，因为它们能够自发引发力学失稳，从而在无需外力的情况下形成多种图案6-10。最近，我们已报道了利用投影微立体光刻技术（PμSL）——一种可将计算机生成的三维（3D）模型快速高分辨率地转化为物理实体的三维制造技术——实现对微尺度管状凝胶屈曲图案的完全控制12,13。本文介绍一种简单方法，即使用市售的数字数据投影仪构建简化的PμSL系统，用于研究由溶胀诱导的屈曲失稳，进而实现可控的图案转变。
利用现成的数字数据投影仪以及凸透镜和镜子等简单的光学元件，可构建一台简易的桌面式3D打印机14。从三维实体模型中提取的横截面图像依次投影到光敏树脂表面，通过逐层聚合液态树脂，形成所需的三维固体结构。即使采用这种简单的配置和便捷的工艺，也能轻松制造出分辨率优于100 μm的任意三维物体。
这款台式3D打印机在软材料力学研究中具有重要潜力，为探索多种3D几何结构提供了良好机会。我们利用该系统制备具有不同尺寸的管状水凝胶结构。水凝胶管底部固定于基底上，在溶胀过程中产生非均匀应力，从而引发屈曲失稳。当凝胶结构发生屈曲时，管体周向出现多种波浪形图案。实验表明，可精确控制生成特定模态的周向屈曲。三维结构管状凝胶的图案转变不仅在力学与材料科学领域具有重要意义，也在可调超材料等众多新兴领域具有广泛应用前景。

一种简单的 PμSL 使用现成的数字数据投影仪的系统如图所示 图1一个焦距为75 mm的凸透镜将光束聚焦到2 cm × 2 cm的小型照明区域。由此产生的面内光学分辨率约为 45 μm垂直分辨率由线性平台的精度决定。本研究中所制备结构的层厚为 160 μm每层均通过8秒光照进行聚合。系统制造的代表性三维结构如图所示 图1D该物体由58层PEGDA构成。
我们制备了可光固化的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶。通过在预聚物溶液中添加非交联的聚乙二醇（PEG），实现了PEGDA水凝胶的低交联度，从而获得较大的溶胀性。所得PEGDA水凝胶的纵向溶胀比为1.5，相当于体积膨胀超过300%。
基于我们的理论12，设计并制备了一系列PEGDA水凝胶管。将样品倒置，并置于盛有水的容器中，水面覆盖一层油，如图2A所示。根据不同的尺寸参数，圆形管状结构或保持稳定，或转变为波浪状结构，如图2B所示。不同样品所呈现的多种溶胀形态由数码相机拍摄记录，并展示在图3A中。
<img alt="基于投影的3D打印装置示意图及使用聚合物树脂的实验；横截面成像" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
 图1. 一台台式投影微立体光刻系统：(a) 示意图；(b) 实际系统；(c) 组件特写；(d) 典型的三维结构。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig1large.jpg" target="_blank"> 点击此处查看大图</a>。
<img alt="油水混合物中的静态平衡，示意图显示样品稳定化和屈曲过程。" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
图2. (a) 水凝胶管溶胀的实验装置；(b) 受限水凝胶管转变为不同图案。比例尺为5 mm。
<img alt="静力学平衡分析、屈曲模式；圆形结构示意图及屈曲模式图表。" src="/files/ftp_upload/4457/4457fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
 图3. (a) 膨胀实验中形成的图案。纵轴表示 t/h（反映稳定性），横轴表示 h/D（反映屈曲模式）。比例尺为 5 mm。(b) 屈曲模式仅取决于 h/D。实验结果与理论预测高度一致。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4457/4457fig3large.jpg" target="_blank"> 点击此处查看大图</a>。
<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="2">样品</td>
			<td>D (μm) </td>
			<td>t (μm) </td>
			<td>h (μm) </td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">I</td>
			<td>i</td>
			<td>9300 ± 420</td>
			<td>760 ± 40</td>
			<td>840 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ii</td>
			<td>9700 ± 420</td>
			<td>1040 ± 40</td>
			<td>1060 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iii</td>
			<td>9700 ± 420</td>
			<td>1210 ± 40</td>
			<td>1340 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iv</td>
			<td>9700 ± 420</td>
			<td>1660 ± 40</td>
			<td>1680 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">II</td>
			<td>i</td>
			<td>9000 ± 420</td>
			<td>480 ± 40</td>
			<td>880 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ii</td>
			<td>9000 ± 420</td>
			<td>660 ± 40</td>
			<td>1060 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iii</td>
			<td>9500 ± 420</td>
			<td>740 ± 40</td>
			<td>1350 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iv</td>
			<td>9200 ± 420</td>
			<td>970 ± 40</td>
			<td>1650 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">III</td>
			<td>i</td>
			<td>8900 ± 420</td>
			<td>160 ± 40</td>
			<td>790 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ii</td>
			<td>8900 ± 420</td>
			<td>300 ± 40</td>
			<td>1020 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iii</td>
			<td>9100 ± 420</td>
			<td>380 ± 40</td>
			<td>1330 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iv</td>
			<td>9000 ± 420</td>
			<td>490 ± 40</td>
			<td>1630 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="4">IV</td>
			<td>i</td>
			<td>8900 ± 420</td>
			<td>140 ± 40</td>
			<td>780 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ii</td>
			<td>8800 ± 420</td>
			<td>190 ± 40</td>
			<td>1010 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iii</td>
			<td>9300 ± 420</td>
			<td>230 ± 40</td>
			<td>1340 ± 40</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iv</td>
			<td>8900 ± 420</td>
			<td>290 ± 40</td>
			<td>1650 ± 40</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 通过光学显微镜测量的样品尺寸。误差表示测量的不确定度。

我们通过弹性失稳实现了对溶胀凝胶管的可控图案转变。利用现成的数字数据投影仪构建了一个简单的投影微立体光刻装置，以逐层方式制备三维聚合物结构。在机械约束条件下，溶胀的水凝胶管会根据其尺寸表现出多种周向屈曲模式。

使用数字投影仪的微尺度3D打印及其在软材料力学研究中的应用

屈曲是力学中的一个经典课题。尽管屈曲长期以来作为主要的结构失效模式之一被研究1，但近年来又引起了新的……

本视频的总体目标是展示一种简易的三维凝胶微加工工具的构建方法，并演示其通过弹性失稳实现溶胀凝胶管图案转变的应用。利用现成的数字数据投影仪构建了一台简易的微尺度三维打印机，用于制备不同尺寸的管状凝胶样品。通过将设计好的图像投影到浸没于树脂浴中的样品支架上，完成管状凝胶样品的制备；该树脂浴中含有光引发剂和光吸收剂的预聚物溶液。通过光聚合形成一层结构后，样品台下降，下一层则在前一层的基础上继续构建。通过这种方式，逐层构建出三维样品。随后，将每个样品与水接触，以触发由溶胀引起的弹性失稳所导致的形状转变。结果表明，圆形管会根据屈曲凝胶的几何形状转变为具有不同波数的各种波浪形图案。与现有方法（如光疗）相比，该制造技术的主要优势在于，它为凝胶等软材料提供了一种快速的三维微加工工具。因此，各种难以制备的复杂三维几何结构现在可以轻松地转化为实物，用于实验研究。开始此操作前，按照书面实验方案制备含有光引发剂和光吸收剂的预聚物溶液。溶液配制完成后，将数字投影仪置于平坦且稳定的位置，并将其连接至安装有 Microsoft PowerPoint 的计算机。将一个凸透镜直接放置在数字投影仪出光镜头前方。选择一个凸透镜，使焦平面距离投影仪约10厘米。焦距较短的透镜光学分辨率更小，但需要为光学元件预留一定空间。在凸透镜后的光路中放置一面镜子，使其与光束成45度角，以将光束垂直向下引导。然后将样品台置于投影光束的焦平面处。样品台应固定在直线位移台上，以便控制样品台的垂直位置。最后，在样品台下方放置树脂浴以用于设计凝胶管。将一幅已知像素数量的图像投影到样品台表面，以测量像素与物理长度之间的转换比例。在此特定情况下，135 像素的图像对应 5.8 毫米，即每个像素为 43 微米。根据此信息，将凝胶管的物理尺寸（包括外径、壁厚和高度）转换为像素。接下来，绘制凝胶管的横截面图像。图像应为白色前景、黑色背景。将这些图像插入 Microsoft PowerPoint 幻灯片中。在 Microsoft PowerPoint 中启动幻灯片放映，并投影任意图像。使用附带的载物台开关调节垂直位置，将样品支架置于焦平面上，并对准一个虚拟的黑色图像，以便在加入预聚物溶液时避免发生不必要的聚合。将预聚物溶液倒入树脂槽中，用移液器加液至溶液刚好轻微覆盖样品支架为止。现在可以打印三维物体了。切换到包含凝胶管第一层横截面图像的幻灯片，以使第一层聚合。持续投影八秒钟，然后切换回全黑幻灯片。将线性平台上的旋钮旋转四分之一圈，约160微米，以降低样品支架。此时新鲜树脂流入，覆盖已聚合的第一层，以防液体树脂黏度过高而无法流入。继续下移平台，使已制备的层完全浸入树脂中，然后将平台位置回调至液面下方160微米处。再次投影横截面图像，以使第二层在前一层之上聚合。重复此过程，直至制备出所需高度的凝胶管。所有层完成后，将样品支架从预聚物溶液中取出，并回收制备好的样品。使用剃刀小心操作，用丙酮冲洗样品约三小时，然后使其干燥约一小时。为进行溶胀实验，先在透明培养皿中制备水-油双层液体。通过调节培养皿的位置，使水-油界面位于相机的焦平面，再用超级胶水将干燥的样品固定在样品支架上。将样品台翻转，使其倒置。将样品浸入水油液体浴中，从油层一侧使样品接近水油界面。当样品接触水面时开始膨胀，而固定凝胶管的基底基质仍停留在上层油相中。通过这种方式，水可以扩散到管壁内部，使样品在限制性基底因润湿而松弛之前先行膨胀。继续监测凝胶管膨胀过程中形态的变化。使用数码相机，本文展示了一种采用现成数码数据投影仪的简易投影微立体光刻系统。一个焦距为75毫米的凸透镜将光束聚焦到一个2厘米×2厘米的小照明区域，从而实现约45微米的平面光学分辨率。垂直分辨率由线性平台的层厚精度决定。本研究中所制备结构的厚度为160微米。每一层均通过八秒的光照进行聚合。图中展示了一个由该系统制备的典型三维结构。该物体由58层聚乙二醇二丙烯酸酯（peg da）构成。设计并制备了一组光固化peg da水凝胶管，以实现低交联度，从而产生较大的溶胀，如书面实验方案所述，将样品倒置放入水油浴中。如视频所示，根据尺寸参数的不同，圆形管状结构或保持稳定，或转变为波浪状结构。凝胶管的尺寸决定了溶胀过程中产生的波纹数量。不同样品的多种溶胀模式由数码相机记录。纵轴表示稳定性，即厚度与高度之比（T/H），横轴表示屈曲模式，即高度与直径之比（H/D）。白色数字表示屈曲模式数，即沿圆周方向的波纹数量，如图所示。不稳定样品的屈曲模式仅取决于 HD，实验结果与理论预测高度一致。在本视频中，我们将此方法作为一种有效的实验工具用于软材料力学研究，同时该方法在其他科学与工程领域也有广泛应用，包括软体机器人和生物医学工程。此外，该方法非常简单且成本低廉。任何人都可以通过遵循本视频中介绍的方案，在实验室中搭建属于自己的微型3D打印机。

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科研

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微三维打印使用数字投影机和软材料力学的研究及其应用

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用于科研与教学的生物分子模型3D打印

本研究的目的是设计并构建一种基于储料装置的熔融挤出式三维打印机，该打印机采用开源且低成本的组件，适用于生物医学和食品打印行业。...

开源低成本生物墨水与食品熔融挤出3D打印机的设计

本研究展示了一种应变测量传感器，该传感器由放大机构和利用改进型3D打印机制造的聚二甲基硅氧烷显微镜组成。...

使用改进型3D打印机生产应变测量装置

微观系统的物理建模有助于获得通过其他方法难以获取的认知。为了促进物理分子模型的构建，我们展示了如何利用3D打印技术组装具有功能性的宏观模型，以触觉方式呈现分子系统的特性。...

利用3D打印进行互动式分子模型组装

本项目使小型实验室能够开发出一种易于使用的平台，用于制备精确的多层微流控器件。该平台包含一个三维打印的显微镜掩模对准适配器，利用该适配器可实现对准误差小于&lt;10...

用于多层微流控器件制备的三维打印显微镜掩模对准适配器的设计与开发

该方法展示了一种基于体素的3D打印工作流程，可直接从医学影像进行打印，具有精确的空间保真度以及空间和对比度分辨率。这使得能够对形态复杂、梯度变化的材料实现精确且渐进的材料分布控制，且材料分布与放射密度相关，同时不丢失或改变原始数据。...

体素打印解剖学：通过位图打印设计与制造用于术前规划的逼真模型

在微米尺度上进行3D打印，能够快速制备用于神经元细胞培养的聚合物装置。作为原理验证，通过构建影响神经突生长的屏障和通道来限制神经元之间的结构连接，同时通过细胞外电生理记录观察此类操作的功能性后果。...

双光子聚合三维打印微尺度神经元细胞培养装置

学习使用数字投影微立体光刻技术构建三维凝胶微制造工具，通过弹性失稳实现溶胀凝胶管的图案转变。该方法为软材料力学研究提供了快速、简便的实验手段。

使用数字投影仪的微尺度3D打印及其在软材料力学研究中的应用

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