具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施案例方法仅用于说明和解释本发明案例，并不用于限制本发明实施例。

针对制备低损耗、高信噪比型水凝胶光纤的需求，本发明提出一种基于悬浮光交联控制技术的，能够同时调控几何结构和交联程度的悬浮光固化3D打印装置，以及基于该装置的打印方法，结合本发明的阻断式水凝胶预制液，使该打印方法具备较高的轴向打印还原度和三维打印分辨率，最终实现具有轴向连续、均匀特征，且具备纤径、包层结构和折射率调制的水凝胶光纤的制备。本发明提出的3D打印方法在水凝胶材料的连续型微结构制作上有无可比拟的优势，将为生物医疗等领域提供新型传感和导波器件。

结合图1，所述用于制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印方法的实现，是基于本发明提出的悬浮光固化3D打印装置，该装置采用自上而下的投影结构，包括DLP、光学微缩投影模块、交联反应监控模块和电动轴向打印模块。其中，DLP提供带有光固化图像信息的投影光，这种光固化图像用于同时调控水凝胶光纤的几何结构和交联程度。光学微缩投影模块包括第一管镜、透反镜和显微物镜，投影光入射到第一管镜，经第一管镜后进入透反镜，通过透反镜入射到显微物镜，显微物镜将投影光以显微镜物镜的倍率缩小后得到微米级的光固化图像，并投影至打印槽液面处，即打印面。交联反应监控模块位于微缩投影模块的共轭光路上，所述交联反应监控模块包括第二管镜和CCD，打印面的反射光经透反镜透射到第二管镜，经第二管镜会聚到CCD上，用于实时观察打印面的交联反应程度，并配合悬浮光交联控制技术进行水凝胶光纤打印质量的调控。电动轴向打印模块包括打印槽、石英光纤和电动平移台，打印槽为底部带穿线孔的圆桶，打印槽内装填用于打印水凝胶光纤的阻断式预制液，石英光纤通过穿线孔穿入打印槽，石英光纤在打印槽内的一端面作为光交联打印基底，另一端固定于电动平移台上，电动平移台提供匀速的抽拉使光交联基底自上向下的运动，配合悬浮光交联控制技术实现水凝胶光纤连续均匀的轴向打印。

所述用于制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印方法，针对水凝胶光纤对于其光场线性传播的需求，要求光纤内轴向分布具备连续且均匀的特征，本发明提出了一种悬浮光交联控制技术，能够实现光固化交联反应的持续发生且仅发生在打印面。所述悬浮光交联控制技术，利用交联反应监控模块的控制光固化图像投影在打印槽液面处，即控制光固化交联反应区域始终维持在水凝胶预制液和空气的交界处，该交界处表面能低，具备高效的水凝胶离型能力；同时，利用光学微缩投影模块限制微米级的水凝胶光纤纤径，在这种微米级尺寸的微小打印面积下，配合合适的打印拉伸速度，能够保证预制液的充分回流，使打印面持续发生光固化交联反应；另外，借由水凝胶光纤阻断式预制液的光学高阻特性，使有效光固化区域仅发生在交界处，保证了光固化打印的轴向分辨率，进而制作出具有轴向连续且均匀性的线性水凝胶光纤。特征如下：

1）借由交联反应控制模块始终使焦面与液面重合，即投影的光固化图像始终清晰的成像在液面上。

2）利用气液交界表面能低的特性，打印过程中已交联的水凝胶极易被分离。

3）用于打印水凝胶光纤的阻断式预制液含有吸光剂，其对交联光的吸收作用显著，能够抑制焦后光束的传播，使打印区域仅发生在焦面，即液面位置，用于提高光固化打印的轴向分辨率，进而保证了水凝胶光纤的轴向均匀性和横向还原度。

4）所制备的水凝胶光纤直径尺寸为微米至毫米量级，这种小尺寸直径在合适的打印拉伸速度下，实现了打印面预制液及时且充分的回流填充效果。

本发明能够同时调控水凝胶光纤的几何结构和聚合程度，用以提高水凝胶光纤的光学传输效率。基于悬浮光固化3D打印装置提供的微米级可编程光固化投影图像，所制作的水凝胶光纤的横截面由光固化图像参数决定，其中光固化图像尺寸决定水凝胶光纤的横截面直径尺寸；光固化图像的形状决定水凝胶光纤的横截面几何结构；光固化图像的光强分布决定水凝胶光纤的横截面自由基交联程度分布，即折射率分布。如，当光固化图像为同心圆，且内圆光强大于外圆时，水凝胶光纤形成纤芯折射率大于包层折射率的阶跃型芯包构型。

所述用于悬浮光固化3D打印装置的阻断式水凝胶预制液，包括：

1）参与交联反应的单体化合物，具体为30%~40%体积百分比的丙烯酰胺，用以组成高分子水凝胶聚合物。

2）引发交联反应的交联剂，具体为1%~2%体积百分比的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，提供不饱和双键或多个官能团交联单体连结成高分子网络。

3）用于光固化反应的光引发剂，具体为0.01%~0.03%体积百分比的苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂，吸收光子能量产生自由基引发单体化合物发生交联反应。

4）用于悬浮光固化控制技术的光吸收剂，具体为0.01%~0.05%体积百分比的柠檬黄，限制反应面（焦面）以外的光交联反应，提高轴向打印精度及分辨率。

5）去离子水57.92%~68.98%，用于上述试剂的溶解，使总体积为100%。

预制液的实施例：

所述用于打印水凝胶光纤的阻断式预制液，如利用体积百分比分别为30%的丙烯酰胺单体化合物、1%的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.01%的苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂、0.01%的柠檬黄以及68.98%的去离子水制备而成，此时水凝胶光纤力学性能表现柔软，光固化速率慢，适合于柔性水凝胶光纤的打印。若提高单体化合物浓度或交联剂浓度，光纤力学性能将逐渐变硬，具体根据水凝胶光纤的应用需求调配适合的阻断式预制液成份体积百分比。

结合图1和图2，所述基于制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印装置的打印方法，其方法步骤如下：

第一步：将石英光纤从穿线孔穿入打印槽，此时打印槽自然形成密封结构，再向打印槽内倒入用于打印水凝胶光纤的阻断式预制液，预制液液面与石英光纤作为打印基底的端面齐平，并静置消除液体晃动。

第二步：将带有水凝胶光纤横截面调控信息的光固化图像通过DLP投影于气液交界处。

第三步：气液交界处，即打印面发生交联反应，开始形成水凝胶光纤，此时利用光诱导耦合技术使水凝胶光纤与石英光纤形成耦合结构。

第四步：匀速向下抽拉石英光纤，进而持续拉动已交联的水凝胶光纤向下运动，利用悬浮光交联控制技术使光固化交联反应在交界处持续发生，得到轴向连续且均匀的水凝胶光纤。

第五步：待制作好的水凝胶光纤从打印槽中取出后，浸泡入去离子水或蒸馏水中至少30分钟，析出吸光剂及其他未反应残液。

所述光诱导耦合技术，具体如下：所使用的石英光纤在打印槽的端面直接作为打印基底，开始打印前置于气液交界面并静置，利用交联反应监控模块观察所投影的光固化图像清晰的成像在打印基底（即石英光纤）上，打印开始，并在交联反应开始一段时间内保持不动，直至水凝胶胶体稳定形成于石英光纤打印端面并完全包裹住石英光纤末段后，再开始水凝胶光纤的抽拉打印，此时水凝胶光纤与石英光纤之间形成了紧密稳定的耦合连接结构，便于水凝胶光纤的光耦合和光纤组网应用。