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

導讀：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，但長時間佩戴隱形眼鏡會導致干眼癥或角膜炎等相關眼部疾病。 為了減輕上述問題，研究人員提出了自潤濕隱形眼鏡。用于制造隱形眼鏡的流行方法包括旋鑄、模塑和車床加工。盡管旋轉鑄造和成型技術很經濟，但這些技術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，耗時長，而且受到設計幾何形狀的限制。隨著增材制造技術的進步，3D打印技術已被用于制造隱形眼鏡。雖說3D打印隱形眼鏡的應用還處于早期階段，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院的研究人員使用 AutoCAD 和立體光刻技術開發(fā)自潤濕隱形眼鏡，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，限制了垂直打印精度、表面精加工和各向同性的機械性能。此外，后處理會造成結構特征的損失，因此打印層厚是3D打印的一個關鍵因素。此外，層與層之間的界面穩(wěn)定性較差，會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)揮兩種技術的優(yōu)勢。 在此項研究中，隱形眼鏡的主結構是通過3D打印用AutoCAD和立體光刻技術開發(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，光學區(qū)域被磨平，然后使用軟光刻技術將其復印到軟質彈性體材料--聚二甲基硅氧烷（PDMS）上，形成隱形眼鏡。同時研究人員還對此隱形眼鏡進行了實驗測試，他們發(fā)現(xiàn)在微通道表面的毛細管上升，隱形眼鏡具有自潤性。

利用3D打印的階梯效應形成微通道
研究人員最先使用ABS進行FFM打印隱形眼鏡的模具，他們選取了兩個方向進行研究，在3D打印中，3D打印的逐層構建性質導致了階梯效應，而形成的階梯的尺寸由打印角度決定。 此外，當3D打印在低層分辨率下進行時，階梯效應變得更加明顯。在模具上復印PDMS，形成了隱形眼鏡，即隱形眼鏡具有從主模具階梯效應中產生的微通道。這里的微通道寬度相當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

研究人員通過實驗，如下圖，發(fā)現(xiàn)了毛細管上升現(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性。


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

控制微通道尺寸&改進鏡片透光度
盡管在隱形眼鏡中創(chuàng)建微通道有利于鏡片的自潤濕，但僅僅依靠階梯效應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中設計微通道的尺寸，直接在設計中定義。為了減少階梯效應的影響，研究人員使用了投影微立體光刻技術進行打印，層的分辨率可達10微米。

隨后研究人員還通過使用丙酮對結構的光學區(qū)域進行拋光，并打印出彎曲的毛細管，從而規(guī)避了接觸鏡的光學傳輸損失。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。


△鏡片改進設計

更多內容請下載原文查看：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102842