فرآیندهای پرینت سه بعدی هیدروژل ها

هیدروژل‌ها شبکه‌های پلیمری آبدوستی هستند که می‌توانند حجم زیادی از آب را جذب کنند و به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردشان در حوزه‌های مختلف علمی و صنعتی مورد توجه قرار گرفته‌اند. با وجود این، ساخت هیدروژل‌هایی با استحکام بالا و ساختارهای دقیق همواره چالشی مهم بوده است.

در این میان، پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها به‌عنوان روشی نوآورانه، امکان تولید ساختارهای پیچیده و عملکردی را فراهم کرده و افق‌های جدیدی را در زمینه‌هایی مانند پزشکی، مهندسی بافت و رباتیک نرم گشوده است. این مقاله به بررسی پیشرفت‌ها، ویژگی‌ها، کاربردها و چالش‌های آینده‌ی فناوری پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها می‌پردازد.

ساختار هیدروژلها

هیدروژل‌ها از شبکه‌هایی سه‌بعدی تشکیل شده‌اند که عمدتاً شامل دو بخش اصلی هستند: زنجیره‌های پلیمری آبدوست و پیوندهای شبکه‌ای. زنجیره‌های پلیمری آبدوست، عامل اصلی جذب آب و تورم در ساختار هیدروژل به‌شمار می‌آیند و بسته به نوع کاربرد، می‌توانند از پلیمرهای طبیعی مانند ژلاتین، آلژینات و کیتوزان یا از پلیمرهای مصنوعی مانند پلی‌اتیلن‌گلیکول و پلی‌وینیل‌الکل ساخته شوند.

پیوندهای شبکه‌ای در هیدروژل ممکن است فیزیکی یا شیمیایی باشند؛ پیوندهای فیزیکی شامل نیروهای بین‌مولکولی مانند پیوندهای هیدروژنی، الکترواستاتیکی و واندروالسی هستند، در حالی که پیوندهای شیمیایی از نوع کووالانسی بوده و پایداری مکانیکی بالاتری ایجاد می‌کنند.

این ساختار شبکه‌ای سه‌بعدی به هیدروژل‌ها امکان می‌دهد مقادیر زیادی آب را درون خود نگه دارند و در عین حال، فرم و استحکامشان حفظ شود. در فرآیند پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها، شناخت دقیق این ساختار و نوع پیوندها اهمیت بالایی دارد، زیرا کیفیت و پایداری محصول نهایی تا حد زیادی به ویژگی‌های شبکه پلیمری و نوع پیوندهای آن وابسته است.

طراحی و پرینت قطعه سه بعدی

خواص هیدروژل‌ چیست؟

🟢 آبدوستی بالا (Hydrophilicity): هیدروژل‌ها دارای زنجیره‌های پلیمری آبدوست هستند که باعث جذب حجم زیادی از آب یا محلول‌های آبی می‌شود. این خاصیت، هیدروژل‌ها را برای استفاده در پانسمان زخم، لنزهای تماسی و سیستم‌های رهایش دارو بسیار مناسب می‌کند.

🟢 انعطاف‌پذیری و نرمی: بسیاری از هیدروژل‌ها بافتی نرم و قابل‌انعطاف دارند و می‌توانند در برابر نیروهای خارجی تغییر شکل دهند. این ویژگی باعث می‌شود که در ربات‌های نرم، ایمپلنت‌های زیستی و مهندسی بافت کاربرد گسترده‌ای داشته باشند.

🟢 واکنش‌پذیری به محرک‌های محیطی (Stimuli-Responsiveness): برخی از هیدروژل‌ها، موسوم به هیدروژل‌های هوشمند، نسبت به عواملی مانند دما، pH، نور یا میدان الکتریکی حساس هستند. این مواد می‌توانند در پاسخ به این محرک‌ها منبسط یا منقبض شوند و به همین دلیل در حسگرهای زیستی و سیستم‌های دارورسانی هوشمند استفاده می‌شوند.

🟢 استحکام مکانیکی متنوع: بسته به نوع شبکه پلیمری و نوع پیوندها، هیدروژل‌ها می‌توانند نرم یا بسیار مقاوم باشند. هیدروژل‌های سخت با استحکام بالا در کاربردهای ساختاری مانند مهندسی بافت، پرینت سه بعدی قطعات زیستی و اجزای رباتیک به کار می‌روند.

🟢 زیست‌سازگاری (Biocompatibility): بسیاری از هیدروژل‌ها با بدن انسان سازگارند و واکنش ایمنی شدیدی ایجاد نمی‌کنند، به همین دلیل در پزشکی، دارورسانی و ایمپلنت‌ها نقش کلیدی دارند.

🟢 قابلیت شکل‌دهی با پرینت سه بعدی: یکی از ویژگی‌های برجسته هیدروژل‌ها، قابلیت استفاده در فناوری پرینت سه بعدی است. این ویژگی امکان ساخت ساختارهایی با دقت بالا و طراحی پیچیده را فراهم می‌کند و در حوزه‌هایی مانند پزشکی بازساختی، داروسازی و رباتیک نرم کاربرد گسترده‌ای دارد.

برای مطالعه بیشتر: پرینت سه بعدی در صنعت خودروسازی

روش‌های تولید هیدروژل‌

هیدروژل‌ها به روش‌های گوناگونی تولید می‌شوند که هر کدام بسته به نوع پلیمر، کاربرد مورد نظر و ویژگی‌های مکانیکی مورد نیاز، انتخاب می‌شوند. در ادامه، مهم‌ترین روش‌های ساخت هیدروژل‌ها معرفی شده‌اند:

💠 پلیمریزاسیون (Polymerization)

در این روش، مولکول‌های کوچک موسوم به مونومرها در حضور یک آغازگر شیمیایی یا فیزیکی به هم متصل شده و زنجیره‌های بلند پلیمری را تشکیل می‌دهند. این فرآیند معمولاً در محیط آبی انجام می‌شود تا در نهایت هیدروژل حاصل شود. پلیمریزاسیون یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای تولید هیدروژل‌هایی با ساختار یکنواخت و کنترل‌شده است.

💠 پیوند عرضی (Cross-Linking)

• در این روش، زنجیره‌های پلیمری موجود از طریق پیوندهای شیمیایی یا فیزیکی به هم متصل می‌شوند و شبکه‌ای سه‌بعدی را شکل می‌دهند.
• پیوندهای شیمیایی پایدارتر و مقاوم‌تر هستند و برای ساخت هیدروژل‌های با دوام بالا به کار می‌روند.
• پیوندهای فیزیکی ضعیف‌تر اما برگشت‌پذیرند و در ساخت هیدروژل‌های نرم و انعطاف‌پذیر کاربرد دارند.

💠 ترکیب روش‌های شیمیایی و فیزیکی

در برخی موارد، برای بهبود خواص مکانیکی یا عملکردی هیدروژل، از ترکیب هر دو نوع پیوند (فیزیکی و شیمیایی) استفاده می‌شود. این کار باعث افزایش پایداری و در عین حال حفظ انعطاف‌پذیری هیدروژل می‌شود.

💠 پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها (3D Printing of Hydrogels)

فناوری پرینت سه بعدی یکی از نوآورانه‌ترین روش‌ها برای تولید هیدروژل‌ها است. در این روش، مواد هیدروژلی به‌صورت لایه‌به‌لایه پرینت می‌شوند تا ساختارهایی با دقت بالا و طراحی سفارشی ایجاد شود. این فناوری امکان تولید هیدروژل‌های پیچیده با معماری‌های خاص را فراهم می‌کند که در زمینه‌هایی مانند مهندسی بافت، پزشکی بازساختی، دارورسانی و رباتیک نرم کاربرد گسترده دارند.

ارتقا انواع پرینترهای سه بعدی

چالش‌ها و آینده‌ی هیدروژل‌ها

با وجود پیشرفت‌های قابل‌توجه در زمینه‌ی هیدروژل‌ها و توسعه‌ی فناوری‌های مرتبط با پرینت سه بعدی، هنوز موانع و چالش‌هایی وجود دارد که باید برای بهبود عملکرد و گسترش کاربردهای آن‌ها برطرف شوند. در ادامه، مهم‌ترین چالش‌ها و چشم‌انداز آینده‌ی این حوزه آورده شده است:

🟠 چالش‌های اصلی هیدروژل‌ها

• افزایش استحکام مکانیکی: یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در تولید هیدروژل‌ها، پایین بودن استحکام مکانیکی آن‌هاست. بسیاری از هیدروژل‌ها نرم و انعطاف‌پذیرند و در برابر فشار یا کشش‌های بالا مقاومت کافی ندارند. این محدودیت، استفاده از آن‌ها را در کاربردهای ساختاری و صنعتی دشوار می‌کند.
• کنترل دقیق ساختار و معماری داخلی: ایجاد شبکه‌های پلیمری منظم و معماری‌های پیچیده در هیدروژل‌ها نیازمند فناوری‌های دقیق‌تری است. در این میان، پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها نقش مهمی در کنترل دقیق شکل، اندازه و توزیع مواد ایفا می‌کند، اما هنوز نیاز به پیشرفت‌های بیشتر در دقت و پایداری فرآیند وجود دارد.
• زیست‌تخریب‌پذیری و سازگاری زیستی: توسعه‌ی هیدروژل‌های زیست‌تخریب‌پذیر که پس از استفاده در بدن انسان تجزیه شوند و مواد سمی آزاد نکنند، از چالش‌های اساسی این حوزه است. چنین موادی برای پزشکی بازساختی و دارورسانی هدفمند اهمیت ویژه‌ای دارند.
• پایداری و کنترل ویژگی‌ها در شرایط واقعی: عملکرد هیدروژل‌ها ممکن است تحت تأثیر شرایط محیطی مانند دما، pH یا رطوبت تغییر کند. حفظ پایداری و عملکرد مطلوب در محیط‌های واقعی یکی از دغدغه‌های اصلی پژوهشگران است.

🟠 آینده‌ی هیدروژل‌ها و فناوری پرینت سه بعدی

• توسعه‌ی هیدروژل‌های هوشمند: نسل جدیدی از هیدروژل‌های هوشمند در حال توسعه است که می‌توانند نسبت به تغییرات محیطی مانند نور، حرارت یا محرک‌های شیمیایی واکنش نشان دهند. این مواد در آینده، نقش مهمی در رباتیک نرم و سیستم‌های دارورسانی کنترل‌شده خواهند داشت.
• پیشرفت در پرینت سه بعدی و چاپ چهاربعدی: ترکیب فناوری پرینت سه بعدی با چاپ چهاربعدی (4D Printing) افق‌های جدیدی در تولید هیدروژل‌ها باز کرده است. در چاپ چهاربعدی، ساختار پرینت‌شده می‌تواند در طول زمان یا در واکنش به محرک‌ها تغییر شکل دهد، که کاربردهای گسترده‌ای در مهندسی بافت و طراحی مواد هوشمند دارد.
• کاربردهای نوین در پزشکی و صنعت: آینده‌ی پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها بسیار روشن است. این فناوری می‌تواند در ساخت اندام‌های مصنوعی، ایمپلنت‌های زیستی، بایوسنسورها، ربات‌های نرم و مواد ترمیمی هوشمند تحولی بزرگ ایجاد کند.
• هیدروژل‌ها؛ مواد کلیدی قرن بیست‌ویکم: با توجه به ترکیب منحصربه‌فرد خواص مکانیکی، زیستی و واکنش‌پذیری، هیدروژل‌ها به‌عنوان یکی از مواد کلیدی در آینده‌ی علم و فناوری شناخته می‌شوند و انتظار می‌رود نقشی حیاتی در پیشرفت پزشکی، مهندسی و صنایع پیشرفته ایفا کنند.

برای مطالعه بیشتر: پرینت سه بعدی دندان

فرآیندهای پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها

فناوری پرینت سه بعدی به عنوان یکی از روش‌های نوین و پرکاربرد در تولید افزودنی، نقش مهمی در ساخت سازه‌های هیدروژلی با ساختارهای دقیق و پیچیده ایفا می‌کند. در مقایسه با روش‌های سنتی، پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها مزایای چشمگیری مانند سهولت فرآیند، کنترل دقیق در طراحی ساختار، کاهش هزینه‌ها و افزایش سرعت تولید دارد. در این روش، هیدروژل‌ها به‌صورت لایه‌به‌لایه پرینت می‌شوند تا بتوان ساختارهایی سه‌بعدی و منحصربه‌فرد برای کاربردهای گوناگون مانند مهندسی بافت، دارورسانی یا ربات‌های نرم ایجاد کرد.

با وجود این مزایا، یکی از چالش‌های اصلی در پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها، ضعف خواص مکانیکی آن‌ها است. این موضوع باعث می‌شود که استحکام و پایداری سازه‌های تولیدشده برای استفاده‌های بلندمدت کافی نباشد. به همین دلیل، پژوهش‌ها در زمینه‌ی بهبود ترکیب مواد و روش‌های پرینت با هدف افزایش دوام و عملکرد هیدروژل‌های پرینت‌شده در حال گسترش است. در آینده، با پیشرفت در فناوری پرینت سه بعدی و توسعه‌ی هیدروژل‌های هوشمند، انتظار می‌رود این مواد جایگاه مهم‌تری در صنایع پزشکی، داروسازی و فناوری‌های پیشرفته پیدا کنند.

امروزه چندین روش پرینت سه بعدی برای تولید سازه‌های هیدروژلی توسعه یافته است که هر کدام بر اساس فرآیند ژل‌شدن و نوع مواد مورد استفاده، مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند. از جمله فناوری‌های رایج می‌توان به پرینت بر پایه اکستروژن، پرینت جوهری، تف جوشی لیزری انتخابی (SLS)، پلیمریزاسیون دو فوتونی/چند فوتونی (TPP)، استریولیتوگرافی (SLA)، پردازش نور دیجیتال (DLP) و پرینت الکتروهیدرودینامیک (EHD) اشاره کرد.

از آنجا که جوهرهای هیدروژلی معمولاً حاوی مقادیر زیادی آب هستند، فرآیند پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها باید در شرایط ملایم و کنترل‌شده انجام شود تا ویژگی‌های مکانیکی و ساختاری هیدروژل حفظ شود. به طور کلی، فناوری‌های پرینت موجود را می‌توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد:

1️⃣ پرینت سه بعدی هیدروژل بر پایه جوهر: این دسته شامل پرینت اکستروژن و پرینت جوهری است. این روش‌ها نیازمند ویژگی‌های خاصی از جوهر هیدروژلی، مانند ویسکوزیته مناسب، هستند و از هد چاپ کنترل‌شده رباتیکی برای شکل‌دهی دقیق لایه‌ها استفاده می‌کنند.

2️⃣ پرینت سه بعدی هیدروژل بر پایه نور: در این روش‌ها، فرآیند پرینت به مسیر کنترل‌شده نور متکی است و شامل فناوری‌هایی مانند استریولیتوگرافی (SLA) و پردازش نور دیجیتال (DLP) می‌شود. این روش‌ها امکان ساخت هیدروژل‌هایی با دقت بالا و جزئیات پیچیده را فراهم می‌کنند.

در بخش‌های بعدی، مکانیزم عملکرد، مزایا، محدودیت‌ها و کاربردهای هر فناوری پرینت سه بعدی هیدروژل به تفصیل بررسی خواهد شد تا خواننده دید کاملی نسبت به انتخاب روش مناسب برای کاربردهای مختلف پیدا کند.

طراحی و پرینت قطعه سه بعدی

پرینت سه بعدی بر پایه اکستروژن هیدروژل‌ها

پرینت سه بعدی بر پایه اکستروژن یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین روش‌های پرینت هیدروژل‌ها است. در این روش، محلول پلیمری با ویسکوزیته مشخص تحت فشار از نازل خارج شده و به صورت یک فیلامنت پیوسته رسوب می‌کند. چاپ لایه‌به‌لایه هیدروژل‌ها باعث تشکیل سازه‌های سه‌بعدی با دقت بالا می‌شود. دستگاه‌های مورد استفاده معمولاً شامل هد چاپ یا پلتفرم متحرک کنترل‌شده، سیستم فشار (پنوماتیک، پیستون یا پیچ) و واحد پخت هستند.

یکی از ویژگی‌های برجسته پرینت سه بعدی هیدروژل بر پایه اکستروژن، تنوع گسترده جوهرهای هیدروژلی با ویسکوزیته مناسب است، معمولاً در محدوده 60 تا 300 kPa·s. نیروی لازم برای اکستروژن با افزایش ویسکوزیته جوهر افزایش می‌یابد، بنابراین رفتار رئولوژیکی جوهر در طول فرآیند چاپ اهمیت زیادی دارد. اغلب جوهرهای هیدروژلی در حین اکستروژن تحت نیروهای برشی نازک می‌شوند و حالت مایع‌مانند پیدا می‌کنند (G′ < G′′). پس از رسوب، جوهر باید سریعاً به حالت جامد مانند (G′ > G′′) بازگردد تا شکل نهایی هیدروژل حفظ شود. دقت چاپ در این روش به ویسکوزیته جوهر و قطر نازل بستگی دارد و معمولاً در مقیاس چند صد میکرون است.

هیدروژل‌های پرینت‌شده بر پایه اکستروژن می‌توانند شامل انواع مختلفی از پلیمرهای طبیعی و مصنوعی باشند، از جمله ژلاتین، آلژینات، کاراگینان، آگاروز، پلی‌آکریل‌آمید (PAAm)، پلی‌وینیل الکل (PVA)، PNIPAm، GelMA و ترکیبات آن‌ها. برای مثال، فو و همکاران میکروذرات هیدروژل هیبریدی از کیتوسان متاکریلات (CHMA) و PVA را به عنوان جوهر زیستی برای پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها استفاده کردند. این ترکیب امکان چاپ دقیق هیدروژل و تولید داربست‌های با زیست‌سازگاری بالا برای رشد اسفروئیدهای سلولی را فراهم کرد. همچنین، از جوهرهای هیدروژلی طبیعی استخراج‌شده از سفیده تخم‌مرغ برای ایجاد سازه‌های پیچیده هیدروژلی با پرینت سه بعدی استفاده شده است.

علاوه بر این، پرینت سه بعدی اکستروژن کوآکسیال با استفاده از نازل کوآکسیال امکان ساخت هیدروژل‌هایی با ساختار توخالی و میکروکانال‌های داخلی را فراهم می‌کند، که برای بافت‌های لوله‌ای بیولوژیکی و انتقال مواد مغذی به سلول‌ها بسیار مفید است. در این روش، محلول سدیم آلژینات در لوله خارجی و محلول Ca²⁺ در لوله داخلی جریان دارد و ژل‌شدن هیدروژل زمانی رخ می‌دهد که یون‌های کلسیم به جوهر آلژینات اکسترودشده نفوذ کنند.

پرینت سه بعدی بر پایه جوهرافشان هیدروژل‌ها

پرینت سه بعدی بر پایه جوهرافشان برای هیدروژل‌ها عملکردی مشابه چاپگرهای جوهرافشان تجاری دارد. در این روش، محلول پلیمری هیدروژلی به‌صورت قطرات بسیار کوچک (بین ۱ تا ۱۰۰ میکرولیتر) از نازل‌های آرایه‌ای خارج شده و با دقت روی زیرلایه رسوب می‌کند تا الگوهای دو‌بعدی تشکیل شوند. این لایه‌ها به‌صورت پشت‌سرهم و لایه‌به‌لایه روی هم قرار می‌گیرند تا سازه‌های هیدروژلی سه‌بعدی شکل بگیرند. هد چاپ و پلتفرم حرکت سه‌محوره X-Y-Z، همراه با تجهیزات پخت کمکی مانند نور UV یا حرارت برای تسریع ژل‌شدن، اجزای اصلی چاپگر سه بعدی هیدروژل بر پایه جوهرافشان هستند.

یکی از مزایای برجسته این روش نسبت به پرینت سه بعدی هیدروژل بر پایه اکستروژن، توانایی ایجاد ویژگی‌های میکرومقیاس با دقت بالا است. دقت چاپ جوهرافشان حدود ۵۰ میکرومتر است که ۵ تا ۱۰ برابر بهتر از چاپ اکستروژن معمولی است. علاوه بر این، این فناوری امکان استفاده همزمان از چند ماده هیدروژلی و ساخت ترکیب‌های گرادیانی را فراهم می‌کند، که در طراحی داربست‌های پیچیده و بافت‌های مصنوعی اهمیت دارد.

با این حال، عملکرد پرینت سه بعدی هیدروژل جوهرافشان به ویژگی‌های جوهر وابسته است. جوهر باید ویسکوزیته کمی (کمتر از ۰.۱ Pa·s) داشته باشد و فرآیند ژل‌شدن سریع باشد تا از پخش شدن محلول جلوگیری شود. اندازه قطره، سرعت پرتاب، خواص رئولوژیکی و کشش سطحی نیز در ایجاد قطرات دقیق و یکنواخت نقش مهمی دارند. کشش سطحی مناسب، از پاشیدن یا ایجاد قطرات ماهواره‌ای جلوگیری کرده و دقت چاپ هیدروژل را حفظ می‌کند.

این فناوری برای ساخت سازه‌های هیدروژلی با ریزساختار دقیق، داربست‌های پیچیده، بافت‌های مصنوعی و دستگاه‌های الکترونیکی کاربرد دارد. به عنوان مثال، هیدروژل‌های رسانای پلی‌آنیلین با پرینت سه بعدی جوهرافشان برای کاربردهای الکتروشیمیایی طراحی شدند و امکان تولید الگوهای عملکردی دقیق را فراهم کردند. علاوه بر این، چاپ الکتروهیدرودینامیک به عنوان یک روش پیشرفته از پرینت سه بعدی جوهرافشان، با استفاده از میدان الکتریکی قطرات هیدروژل بسیار کوچک‌تری ایجاد می‌کند و دقت ساخت هیدروژل‌های پرینت‌شده را بهبود می‌بخشد.

برای مطالعه بیشتر: پرینت سه‌ بعدی در صنعت اسباب‌ بازی

پرینت سه بعدی استریولیتوگرافی (SLA) هیدروژل‌ها

پرینت سه بعدی SLA به عنوان یکی از روش‌های پرینت سه بعدی هیدروژل بر پایه نور شناخته می‌شود و برای ساخت سازه‌های هیدروژلی با دقت بالا کاربرد دارد. در این فناوری، یک پرتو لیزر متمرکز برای ژل‌شدن موضعی محلول پیش‌ساز هیدروژل استفاده می‌شود.

فرآیند به این شکل است: ابتدا نور کنترل‌شده روی یک صفحه از محلول هیدروژل فوتوکورابل حرکت می‌کند و الگوی دو‌بعدی مورد نظر را ایجاد می‌کند. سپس پلتفرم ساخت به اندازه یک لایه پایین می‌رود و لایه بعدی روی لایه قبلی قرار می‌گیرد. این فرآیند لایه‌به‌لایه ادامه پیدا می‌کند تا در نهایت یک سازه سه‌بعدی جامد هیدروژلی شکل بگیرد.

چاپگر پرینت سه بعدی SLA هیدروژل‌ها معمولاً شامل سه بخش اصلی است:

• منبع نور کنترل‌شده برای پخت موضعی هیدروژل
• پلتفرم ساخت جمع‌شونده برای جابجایی دقیق لایه‌ها
• ظرف محلول هیدروژلی پیش‌ساز

این روش به دلیل دقت بالا و توانایی تولید جزئیات بسیار ظریف، برای کاربردهای پزشکی، مهندسی بافت و تولید داربست‌های پیچیده هیدروژلی بسیار مناسب است.

پرینترهای سه بعدی فورم لبز

روش پرینت سه بعدی SLA برای ساخت سازه‌های هیدروژلی با مقیاس ماکروسکوپی بزرگ و جزئیات میکروسکوپی بسیار دقیق مناسب است. این فناوری امکان دستیابی به وضوح فوق‌العاده بالا تا حدود ۳۰ میکرون را فراهم می‌کند و پتانسیل‌های زیادی برای طراحی دستگاه‌ها و سازه‌های هیدروژلی پیچیده ایجاد می‌کند.

با این حال، توسعه و گسترش پرینت سه بعدی هیدروژل SLA با برخی محدودیت‌ها روبه‌رو است. انتخاب مواد برای این روش به دلیل نیاز به ژل‌شدن سریع با نور محدود می‌شود و معمولاً از نور UV یا نور مرئی با طول‌موج کوتاه استفاده می‌شود. فرآیند پخت نوری ممکن است ناقص یا بیش از حد انجام شود، بنابراین مراحل پیش‌پردازش یا پس‌پردازش برای بهبود خواص مکانیکی هیدروژل‌های پرینت‌شده ضروری است. همچنین، از آنجا که چاپ در محلول پیش‌ساز انجام می‌شود، برخی هیدروژل‌ها ممکن است در طول فرآیند چاپ دچار تورم شوند.

برای رفع این محدودیت‌ها، مونومرهای خاص با قابلیت پخت نوری بالا به کار گرفته شده‌اند تا هیدروژل‌هایی با ویژگی‌های ریزساختاری دقیق ایجاد شوند. نمونه‌هایی از این مواد شامل پلی‌اتیلن گلیکول (PEG)، پلی‌۲-هیدروکسی‌اتیل متاکریلات (PHEMA) و پلی‌پروپیلن فومارات-دی‌اتیل فومارات (PPF-DEF) هستند. به عنوان مثال، بشیر و همکاران با ترکیب PEGDA و آکریلیک-PEG-کلاژن، تیرکی انعطاف‌پذیر با مدول الاستیک متوسط (۳۰ تا ۵۰۰ کیلوپاسکال) ساختند که خواص مکانیکی مشابه بافت‌های بیولوژیکی دارد. این تیرک به عنوان یک حسگر مکانیکی برای اندازه‌گیری نیروهای انقباضی کاردیومیوسیت‌ها در طراحی یک میکرو-محرک زیست‌هیبریدی مبتنی بر سلول استفاده شد.

این مثال نشان می‌دهد که پرینت سه بعدی هیدروژل SLA می‌تواند ترکیبی از دقت بالا و قابلیت طراحی با ویژگی‌های مکانیکی مطلوب را برای کاربردهای مهندسی بافت، میکرو-ابزارهای زیستی و ساخت دستگاه‌های پیچیده هیدروژلی فراهم کند.

علاوه بر این، برای پرینت سه بعدی SLA هیدروژل‌ها از مونومرهای حساس به محرک‌های محیطی استفاده شده است تا بتوان دستگاه‌های هیدروژلی با ساختارهای میکرونی بسیار دقیق و عملکردی طراحی کرد. این هیدروژل‌های پرینت‌شده قادرند در پاسخ به تغییرات دما، pH یا دیگر محرک‌ها واکنش نشان دهند و برای کاربردهایی مانند سیستم‌های تحویل داروی دینامیک، دستگاه‌های میکروفلوییدیک و محرک‌های نرم میکرونی مورد استفاده قرار گیرند. چنین قابلیت‌هایی، پرینت سه بعدی SLA هیدروژل‌ها را به ابزاری قدرتمند برای طراحی ساختارهای پیشرفته در مهندسی بافت و میکروابزارهای زیستی تبدیل کرده است.

پرینت سه بعدی پردازش نور دیجیتال (DLP) هیدروژل‌ها

علاوه بر پرینت سه بعدی SLA هیدروژل‌ها، پرینت سه بعدی DLP نیز یک فناوری ساخت بر پایه نور است که برای پخت جوهرهای هیدروژلی به تابش نور نیاز دارد. در مقایسه با SLA، DLP با چند تحول کلیدی در طراحی خود، وضوح و سرعت چاپ هیدروژل‌ها را بهبود داده است. چاپگرهای DLP معمولاً ساختاری معکوس نسبت به SLA دارند؛ منبع نور دیجیتال از یک پروژکتور در پایین و پلتفرم متحرک در بالا قرار دارد. نور دیجیتال کل یک لایه هیدروژل را همزمان پخت می‌کند و لایه‌های هیدروژلی روی هم قرار می‌گیرند، که زمان تولید را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

این روش پرینت سه بعدی هیدروژل‌ها دقت بالایی دارد و امکان ساخت سازه‌های سه‌بعدی هیدروژلی با اندازه‌های ۱ تا ۱۰۰ میکرون را فراهم می‌کند. از آنجا که هیدروژل‌های چاپ‌شده به پلتفرم متصل بوده و به صورت وارونه آویزان هستند، تورم غیرمنتظره در حین چاپ کاهش می‌یابد. همچنین، تعویض آسان جوهر چاپ امکان ساخت سازه‌های چندمواد و ترکیبی هیدروژلی را فراهم می‌کند.

با این حال، پرینت سه بعدی DLP هیدروژل‌ها با محدودیت‌هایی مشابه SLA مواجه است. انتخاب مواد جوهر محدود است و قرار گرفتن محلول پیش‌ساز در معرض هوا می‌تواند باعث ایجاد نقص‌های داخلی شود، زیرا اکسیژن پلیمریزاسیون رادیکال آزاد را مختل می‌کند. علاوه بر این، حرکت پلتفرم ممکن است حباب‌هایی در محلول ایجاد کند، که کیفیت چاپ هیدروژل را تحت تأثیر قرار می‌دهد. استفاده از محیط گاز بی‌اثر می‌تواند این مشکلات را کاهش داده و کیفیت نهایی سازه‌های هیدروژلی را بهبود بخشد.

برای مطالعه بیشتر: پرینت سه بعدی در صنعت خودروسازی

به عنوان یک فناوری نوین پرینت سه بعدی هیدروژل بر پایه نور، DLP به طور گسترده‌ای برای ساخت ریزساختارهای هیدروژلی با دقت بالا به کار گرفته شده است. به عنوان مثال، گه و همکاران با استفاده از پرینت سه بعدی DLP با وضوح تا ۷ میکرون، سازه‌ای هیدروژلی بسیار کش‌آمد مبتنی بر آکریل‌آمید-PEGDA ساختند. هیدروژل چاپ‌شده قادر بود کششی بیش از ۱۳۰۰٪ را تحمل کند و خواص مکانیکی آن با تغییر ترکیب جوهر به راحتی قابل تنظیم بود. علاوه بر این، زیست‌سازگاری بالا و شفافیت نوری هیدروژل، آن را برای طراحی لنزهای تماسی چاپ سه بعدی مناسب کرده بود.

فناوری پرینت سه بعدی DLP هیدروژل‌ها همچنین در مهندسی هیدروژل‌های حساس به محرک‌های محیطی مانند پلی(N-ایزوپروپیل‌آکریل‌آمید) (PNIPAm) کاربرد دارد. هیدروژل‌های PNIPAm چاپ‌شده علاوه بر وضوح بالا و نسبت ابعاد مناسب، رفتار تورم وابسته به دما دارند. این ویژگی را می‌توان با استفاده از مقیاس خاکستری در تصاویر دیجیتال به صورت فضایی کدگذاری کرد؛ به این معنا که با تنظیم میزان نور در مناطق مختلف هیدروژل، می‌توان نواحی متفاوتی ایجاد کرد که به دما واکنش‌های متفاوت نشان دهند.

این قابلیت‌های منحصر به فرد، پرینت سه بعدی DLP هیدروژل‌ها را برای ساخت محرک‌های نرم و ربات‌های نرم هوشمند بسیار مناسب می‌کند. محرک‌های نرم دستگاه‌هایی هستند که در پاسخ به محرک‌های خارجی مانند دما تغییر شکل داده و حرکت می‌کنند، و بنابراین استفاده از هیدروژل‌های حساس به محرک در طراحی آن‌ها پتانسیل بالایی برای کاربردهای مهندسی و زیست‌فناوری ایجاد می‌کند.

طراحی و پرینت قطعه سه بعدی