PEGDA水凝胶在液相中的变形及在面曝光3D打印中的应用研究

作     者：周峰 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘旺玉

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：PEGDA水凝胶 多物质液相 凝胶变形 有限元仿真 面曝光3D打印 

摘      要：水凝胶是一种由高分子长链相互作用,或单体交联而成的、具有三维网络结构的材料。水凝胶具有物质传输特性,当它处于液相中时,分子量较小的物质可在凝胶内外化学势差的驱动下进出凝胶。由于凝胶高分子网络和物质分子是不可压缩的,物质的进出会导致凝胶的膨胀或收缩变形。因此,研究该变形对于理解真实物理场下凝胶的成型状态或使用状态具有工程指导意义。聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶是一种具有良好生物相容性的材料,广泛用于制备生物支架,生物支架凝胶的结构较为复杂,一般设计有特殊的孔隙结构,采用面曝光3D打印(MP-SLA)可制备结构复杂的水凝胶。根据面曝光3D打印的原理,在打印结束前,凝胶仍浸泡在光固化溶液中,因此凝胶会在打印过程中产生变形。本文旨在研究PEGDA水凝胶在光固化溶液中,以及面曝光3D打印时由于物质传输特性引起的变形特性,本文的主要研究工作如下:(1)参考Lucantonio和Caccavo等人的凝胶变形理论,根据Flory-Rehner提出的系统混合自由能,建立一套完整的、描述凝胶在多物质液相环境下变形的模型,使用COMSOL Multiphysics软件进行有限元建模,实现变形预测。(2)对用于制备PEGDA水凝胶的光固化溶液,以及凝胶的物性参数进行实验测量和计算,以得到模型所需的参数,进而实现对PEGDA水凝胶在光固化溶液中的变形仿真计算。(3)研究三种不同配比PEGDA水凝胶在光固化溶液中9小时内的瞬态变形行为,实验测量凝胶的变形、质量以及各物质在凝胶中的含量变化,与仿真计算结果对比,验证凝胶在多物质液相中变形的仿真模型的可行性;分析凝胶在溶液中的变形特性和趋势,横向对比分析配比对变形的影响。(4)研究分析凝胶形状和体积对瞬态变形行为的影响,给出调控PEGDA水凝胶在光固化溶液中的变形量的方法;研究分析凝胶在溶液中的稳态变形,给出主动补偿变形量的方法,以满足凝胶使用时所需的目标尺寸。(5)借鉴生死单元法,设计自定义的网格单元激活控制函数,扩展模型,使其可用于仿真面曝光3D打印时,多层凝胶在溶液中的变形。通过对比打印的圆柱凝胶半径测量值和仿真结果,验证模型的正确性;分析打印过程中凝胶层与层之间的相互作用,以及打印凝胶的整体变形特点。(6)根据打印原理和朗伯-比尔定律,研究分析凝胶每层打印层厚和打印时间参数对由于物质传输导致的凝胶整体变形趋势的影响。