微尺度3D打印柱状结构和多孔聚合物结构：可制造性及微观力学特性

《Advanced Engineering Materials》：Microscale 3D Printed Pillars and Porous Polymeric Structures: Manufacturability and Micromechanics

　　两光子聚合（2PP）打印参数对IP-Q、IP-S和IP-PDMS树脂制备的固体及孔隙微结构形貌和力学性能的影响进行研究。发现孔隙结构保留固体刚度的80%-85%（IP-Q/IP-S）和50%（IP-PDMS），最佳参数为激光功率50mW、切片间距1.2μm、hatch间距1μm，此时弹性模量达3.7GPa，屈服强度75.21MPa。揭示了材料与工艺参数的关联机制，为生物医学器件设计提供依据。

　　本研究探讨了双光子聚合（Two-Photon Polymerization, 2PP）技术中打印参数对三种商用树脂（IP-Q、IP-S 和 IP-PDMS）制造的微结构形态和力学性能的影响。2PP 是一种先进的增材制造技术，能够制造从纳米到介观尺度的聚合物结构，具有高度的设计灵活性和亚微米级别的分辨率。研究重点在于理解打印参数如何影响这些结构的制造可行性、几何形状以及微力学响应，为生物医学微器件的设计提供了系统性的指导框架。

研究中的微结构设计灵感来源于最近开发的耳蜗植入体模型。通过2PP技术，使用三种不同的光固化树脂制造了实体结构和带有可控微孔结构的样品。其中，IP-Q 和 IP-S 是基于丙烯酸的弹性体，而 IP-PDMS 是一种兼具丙烯酸和硅基材料特性的混合弹性体。这些材料具有不同的机械性能，使得研究具有广泛的应用前景，从需要承载力的永久结构到柔软、可变形的微系统。

在实验过程中，研究人员通过调整激光功率（LP）、扫描速度（υ）、切片间距（s）和填充间距（h）等参数，对实体结构和微孔结构进行了系统的优化。对于 IP-Q 材料，由于其尚未被广泛研究，特别进行了微压缩测试，以直接评估其力学性能。通过这一方法，研究团队能够获得 IP-Q 材料的弹性模量和屈服强度等关键数据，为后续的力学建模提供了重要支持。

研究结果表明，微孔结构在一定程度上保留了实体结构的刚度，但其比例因材料而异。对于 IP-Q 和 IP-S，微孔结构保留了约 80–85% 的刚度，而对于 IP-PDMS，仅保留了约 50%。这表明不同材料对微孔结构的响应存在显著差异。同时，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究人员还发现 IP-Q 的固化程度为 38%，而 IP-S 和 IP-PDMS 分别为 61%。固化程度的差异与材料的化学结构和打印条件密切相关，是影响最终力学性能的重要因素。

为了进一步探究打印参数对微结构形态和力学性能的影响，研究团队特别关注了 IP-Q 微柱的制造过程。通过调整 LP、s 和 h，研究发现较高的激光功率有助于形成更大的微柱尺寸，但过高的功率可能导致结构的不稳定性，如几何畸变和强度下降。因此，找到最佳的打印参数是确保结构稳定性和力学性能的关键。

此外，研究人员还分析了不同打印条件下的化学特性，包括材料的元素组成和功能基团的变化。通过 X 射线光电子能谱（XPS）和 FTIR 技术，团队揭示了材料在固化过程中的化学变化，从而验证了打印参数对材料性能的影响。这些化学分析结果与力学测试数据相互印证，提供了更全面的材料行为理解。

在力学测试方面，研究团队采用了微压缩测试，以评估实体和微孔结构的刚度、弹性模量和屈服强度。测试结果显示，IP-Q 和 IP-S 的微柱在 LP = 50 mW、s = 1.2 μm、h = 1 μm 的条件下表现出最佳的力学性能，弹性模量达到 3.7 GPa，屈服强度为 75.21 MPa。这一结果为未来设计具有特定力学性能的生物医学微器件提供了重要的参考依据。

研究还探讨了打印参数对材料结构的影响。通过 SEM 和 FIB-SEM 技术，团队对微结构的形态进行了详细观察，发现不同的打印参数会导致结构的不规则性，如微柱的尺寸偏差和孔隙的不均匀分布。这些结构特征与材料的固化程度、光强分布以及光束聚焦情况密切相关。因此，优化打印参数不仅有助于提高结构的几何精度，还能改善其力学性能。

值得注意的是，研究团队发现，尽管 IP-Q 和 IP-S 的机械性能较为相似，但它们的微孔结构表现出不同的刚度保留率。这表明，即使在相同的打印条件下，不同材料的微观结构对整体性能的影响也不尽相同。因此，材料选择和打印参数优化需要根据具体应用需求进行调整。

在讨论部分，研究团队进一步分析了不同打印参数对微柱结构形态和力学性能的影响。他们发现，较高的激光功率通常会促进材料的充分固化，从而提高结构的尺寸和强度。然而，过高的功率可能导致材料过度曝光，影响结构的几何精度。此外，切片间距和填充间距的调整在一定程度上决定了结构的密度和力学性能。研究还提到，尽管某些材料表现出较高的刚度，但其微孔结构在机械性能上的表现可能不如实体结构，这与材料的本征特性密切相关。

在实际应用方面，研究团队强调了2PP技术在生物医学领域的潜力。通过精确控制打印参数，可以制造出具有特定机械性能和几何结构的微器件，例如用于微流体、药物输送和组织工程的结构。这些结构不仅需要满足机械性能的要求，还必须具备良好的生物相容性。因此，研究团队建议未来的工作应结合生物测试，以评估这些微结构在体内的适应性和长期稳定性。

总的来说，这项研究为理解2PP打印参数如何影响微结构的制造和性能提供了一个系统性的框架。它不仅揭示了不同材料在打印过程中的行为差异，还为未来的生物医学应用提供了重要的数据支持。通过精确控制打印条件，可以实现更高质量的微结构制造，从而推动生物医学微器件的发展。此外，研究还指出了未来研究的方向，包括对结构性能的理论建模、对打印方向依赖性的研究以及对材料热效应的深入分析。这些发现为2PP技术在生物医学领域的进一步应用奠定了坚实的基础。