《Additive Manufacturing》：3D打印具有自潤(rùn)性的隱形眼鏡，告別眼干眼澀！

導(dǎo)讀：隱形眼鏡不僅可以用于視力矯正，還可以用于可穿戴傳感技術(shù)，但長(zhǎng)時(shí)間佩戴隱形眼鏡會(huì)導(dǎo)致干眼癥或角膜炎等相關(guān)眼部疾病。 為了減輕上述問題，研究人員提出了自潤(rùn)濕隱形眼鏡。用于制造隱形眼鏡的流行方法包括旋鑄、模塑和車床加工。盡管旋轉(zhuǎn)鑄造和成型技術(shù)很經(jīng)濟(jì)，但這些技術(shù)往往需要后期處理解決附著力的影響。另一方面，車床加工成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，而且受到設(shè)計(jì)幾何形狀的限制。隨著增材制造技術(shù)的進(jìn)步，3D打印技術(shù)已被用于制造隱形眼鏡。雖說3D打印隱形眼鏡的應(yīng)用還處于早期階段，但它的潛力不容小覷！

2022年5月，南極熊獲悉，來自印度馬尼帕爾高等教育學(xué)院的研究人員使用 AutoCAD 和立體光刻技術(shù)開發(fā)自潤(rùn)濕隱形眼鏡，他們的研究成果發(fā)表在《Additive Manufacturing》上，讓我們看看他們的具體研究吧！


3D打印隱形眼鏡
3D打印逐層制造的原理伴隨著階梯效應(yīng)，限制了垂直打印精度、表面精加工和各向同性的機(jī)械性能。此外，后處理會(huì)造成結(jié)構(gòu)特征的損失，因此打印層厚是3D打印的一個(gè)關(guān)鍵因素。此外，層與層之間的界面穩(wěn)定性較差，會(huì)影響隱形眼鏡的耐久性。所以需要減小打印的層厚，以增加表面的平滑度和改善界面的附著力。3D打印可以使用較小層厚打印微通道，作為模具，然后使用隱形眼鏡材料，如軟性彈性體，制造隱形眼鏡。


△嵌入微通道的隱形眼鏡的制造程序

使用增材制造技術(shù)制造隱形眼鏡模具而不是隱形眼鏡的前景往往被忽視。增材制造和傳統(tǒng)方法的整合可以發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。 在此項(xiàng)研究中，隱形眼鏡的主結(jié)構(gòu)是通過3D打印用AutoCAD和立體光刻技術(shù)開發(fā)的模型制造的，凹模的直徑為15毫米。研究人員3D打印了帶有矩形底部的100微米的凹模。打印之后，光學(xué)區(qū)域被磨平，然后使用軟光刻技術(shù)將其復(fù)印到軟質(zhì)彈性體材料--聚二甲基硅氧烷（PDMS）上，形成隱形眼鏡。同時(shí)研究人員還對(duì)此隱形眼鏡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)在微通道表面的毛細(xì)管上升，隱形眼鏡具有自潤(rùn)性。

利用3D打印的階梯效應(yīng)形成微通道
研究人員最先使用ABS進(jìn)行FFM打印隱形眼鏡的模具，他們選取了兩個(gè)方向進(jìn)行研究，在3D打印中，3D打印的逐層構(gòu)建性質(zhì)導(dǎo)致了階梯效應(yīng)，而形成的階梯的尺寸由打印角度決定。 此外，當(dāng)3D打印在低層分辨率下進(jìn)行時(shí)，階梯效應(yīng)變得更加明顯。在模具上復(fù)印PDMS，形成了隱形眼鏡，即隱形眼鏡具有從主模具階梯效應(yīng)中產(chǎn)生的微通道。這里的微通道寬度相當(dāng)于層的分辨率或階梯高度，深度則由階梯寬度決定。


△階梯效應(yīng)

研究人員通過實(shí)驗(yàn)，如下圖，發(fā)現(xiàn)了毛細(xì)管上升現(xiàn)象，證明了通過3D打印的模具制造含有微通道的隱形眼鏡具有自潤(rùn)性。


△a) 原始PDMS的水接觸角，b) 經(jīng)氧等離子體處理后的PDMS，c) 由階梯效應(yīng)形成的微通道接觸鏡中的毛細(xì)管上升，d) 由山脊效應(yīng)形成的平面微通道中的毛細(xì)管上升（以300微米的層分辨率打印）。

控制微通道尺寸&改進(jìn)鏡片透光度
盡管在隱形眼鏡中創(chuàng)建微通道有利于鏡片的自潤(rùn)濕，但僅僅依靠階梯效應(yīng)形成的微通道并沒有形成均勻大小的微通道。因此，僅由階梯效應(yīng)不能提供尺寸可控的微通道。ABS的回縮誤差或不規(guī)則性也直接影響到形成的微通道的尺寸。為了更好地控制微通道的尺寸和分布，研究人員直接在CAD中設(shè)計(jì)微通道的尺寸，直接在設(shè)計(jì)中定義。為了減少階梯效應(yīng)的影響，研究人員使用了投影微立體光刻技術(shù)進(jìn)行打印，層的分辨率可達(dá)10微米。

隨后研究人員還通過使用丙酮對(duì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)區(qū)域進(jìn)行拋光，并打印出彎曲的毛細(xì)管，從而規(guī)避了接觸鏡的光學(xué)傳輸損失。在隱形眼鏡上制造的微通道不僅有助于自保濕，而且還為未來開發(fā)具有芯片功能的隱形眼鏡提供新思路。


△鏡片改進(jìn)設(shè)計(jì)

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