3D打印

聚二甲基硅氧烷( PDMS )因其具有生物相容性、柔韧性和透明性等优点而得到了广泛的应用。然而，低的机械强度限制了它的进一步应用。提高其力学性能的一个途径是用高强度增强体对PDMS基体进行增强。碳纤维( CF )、碳纳米管( CNT )等碳材料被广泛应用于增强PDMS的力学性能。3D打印技术是制备碳材料/ PDMS复合材料的一种很有前途的快速成型方法。在此，我们对打印三维结构所必需的元素CF / PDMS和CNT / PDMS线条进行3D打印，以研究碳材料/ PDMS复合材料的3D打印和力学性能。流变分析表明，CF的加入并未影响CF / PDMS油墨的印刷适性。与4 wt % CF增强PDMS的纯PDMS相比，CF / PDMS印刷线的拉伸模量提高了52.4 %。CNT在PDMS中的团聚限制了印刷CNT / PDMS线材杨氏模量随CNT浓度增加的提高。本工作分析了3D打印参数对碳材料/ PDMS线条的影响。也为研究挤出3D打印工艺提供了一种通过分析本质线条的方法。

能够发生较大非弹性变形的软材料在刚度、强度和韧性相结合的高性能珍珠岩型建筑材料中发挥着至关重要的作用。这些建筑用材料中由玻璃或陶瓷制成的刚性‘积木’缺乏非弹性变形能力，从而依靠粘合在这些积木上的软界面材料来实现大变形和高韧性。在此，我们提出了将具有牺牲键和隐藏长度的微结构热塑性纤维嵌入到广泛使用的弹性体中，在软材料中实现大的非弹性变形和高能耗的概念。微结构光纤是利用商用3D打印机上熔融的聚碳酸酯( PC )螺纹的流体-机械不稳定性来制备的。聚二甲基硅氧烷( PDMS )树脂浸润在纤维周围，固化后形成软复合材料。通过断裂试验分析了复合材料的破坏机理和损伤容限。发现高能量耗散与牺牲键和弹性体基体的多重断裂事件有关。与纯弹性体相比，将微结构纤维与直纤维复合后，弹性体的刚度提高了α = 17倍，失效总能量提高了α = 7倍。我们的发现将牺牲键和隐长度增韧机制应用于微观尺度的软材料中，将有助于开发具有高性能的仿生层合复合材料。

本研究证明了通过vat印刷硅丙基纳米复合材料形成具有增强热导率( k )的三维结构的可能性。聚二甲基硅氧烷( PDSM )代表了从电子到微流控的几个应用中常用的硅基聚合物。遗憾的是，聚合物的k值较低，因此需要形成复合材料以提高其热导率。有几种填料可以达到这个结果。本研究采用氮化硼( BN )纳米颗粒来提高PDMS类光固化基体的热导率。采用数字光处理( DLP )系统形成复杂结构。首先考察了配方的黏度，并进行光流变和衰减全反射傅里叶变换红外光谱( ATR- FTIR )分析，以检验适合DLP印刷的体系反应活性。通过动态机械热分析( DMTA )和拉伸试验对印刷样品进行了力学和热分析，揭示了BN纳米颗粒的积极作用。通过扫描电子显微镜( SEM )对材料的形貌进行了表征，最后通过热分析证明材料的热导率得到了提高，保持了制作3D打印配方的可能性。

本研究证明了通过vat印刷硅丙基纳米复合材料形成具有增强热导率( k )的三维结构的可能性。聚二甲基硅氧烷( PDSM )代表了从电子到微流控的几个应用中常用的硅基聚合物。遗憾的是，聚合物的k值较低，因此需要形成复合材料以提高其热导率。有几种填料可以达到这个结果。本研究采用氮化硼( BN )纳米颗粒来提高PDMS类光固化基体的热导率。采用数字光处理( DLP )系统形成复杂结构。首先考察了配方的黏度，并进行光流变和衰减全反射傅里叶变换红外光谱( ATR- FTIR )分析，以检验适合DLP印刷的体系反应活性。通过动态机械热分析( DMTA )和拉伸试验对印刷样品进行了力学和热分析，揭示了BN纳米颗粒的积极作用。通过扫描电子显微镜( SEM )对材料的形貌进行了表征，最后通过热分析证明材料的热导率得到了提高，保持了制作3D打印配方的可能性。

生物传感器的微流体集成使生物传感性能得到改善，并为许多应用设计了复杂的片上实验室平台。虽然软光刻和基于聚二甲基硅氧烷( PDMS )的微流体仍然被认为是金标准，但3D打印已经成为微流体系统很有前途的制造替代方案。本文首次将3D打印的聚丙烯酸酯微流控平台与基于无标记多孔硅( PSi )的光学贴体传感器通过简单的键合方法集成在一起。后者利用紫外光固化粘合剂作为中间层，同时保持微通道内多孔区域的精细纳米结构。作为概念的证明，本文构建了一种通用的免标记检测他标记蛋白的模型贴体传感器，并与非微流控和PDMS微流控装置进行了表征和比较。目标蛋白的检测是通过实时监测PSi的反射率变化来实现的，这种变化是由目标结合在多孔纳米结构中的固定适体引起的。与非微流控生物传感平台( 0.04μM vs.2.7μM )相比，微流控集成适配体传感器在0.25 ~ 18 μ M范围内具有良好的选择性和检测限。此外，与传统的基于PDMS的尺寸相近的微流控平台相比，3D打印微流控贴体传感器的性能更加优越。

3D打印在海洋环境中的应用日益多样化，可用于定制或替代仪器和基础设施的组件。由于海洋生物污损会干扰此类应用的性能，在物种扩散中发挥重要作用，因此需要了解生物污损对所使用材料的动力学。本研究比较了熔融沉积法打印的聚己内酯( PCL )、体视光刻法打印的VisiJet®SL Clear和PolyJet打印的VeroClea ™等常用3D打印聚合物以及用于生物污损研究的聚二甲基硅氧烷( PDMS )和玻璃等对比材料的生物污损和材料性能的关系。2周龄和4周龄生物膜的细菌组合在所有材料上相似，以蓝藻和变形杆菌为主。材料间12周后的宏观污染程度差异显著，玻璃复盖率最高( 98.4 % )，PCL复盖率最低( 86.8 % )，宏观雾化器组合差异显著，3D打印聚合物的微藻数量普遍少于PDMS和玻璃，苔藓植物的包裹率也高于PDMS和玻璃。PCL是最极端的3D打印材料，最少的微藻和大多数苔藓植物(乔木化和镶嵌结合)。宏观污垢复盖率与材料疏水性、弹性模量、硬度或粗糙度无显著相关。相比之下，宏观雾化器组合结构与硬度的关系具有统计学意义，与疏水性的关系略显著(分别解释了组合结构变异的19.0 %和8.6 % )。PCL上生物污垢复盖率的降低和物种组成的改变可能有利于PCL在海洋3D打印中的应用，但需要考虑材料随时间的降解等其他因素。

圆柱形微透镜阵列( CMLAs )在许多光电子器件中起着关键作用，100 %填充因子的CMLAs还具有提高信噪比和避免杂散光效应的优点。但现有的制备工艺复杂、成本高，不适合大批量生产。本文提出了一种简单、高效、低成本的聚二甲基硅氧烷( PDMS )电场驱动( EFD )微尺度3D打印制备高填充因子CMLAs的方法，通过调整打印参数，控制CMLAs的轮廓和填充因子，提高其光学性能。光学性能测试结果表明，印制的PDMS CMLAs具有良好的像投影和光衍射特性。利用这种EFD微尺度3D打印技术的两种打印模式，简单制备了具有双聚焦功能的圆柱形双微透镜阵列。同时，我们打印了一系列异形微透镜，证明了该技术的柔性制造能力。结果表明，制备的CMLAs具有良好的形貌和光学性能。该方法可能为以非常简单、高效、低成本的方式制造100 %填充因子的大面积CMLAs提供一条可行的路线。