《Materials Today Advances》：Mechanical properties and hydration of 3D printed silicone-based contact lenses
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为解决传统接触透镜制造方法难以实现个性化定制及材料性能平衡的问题，研究人员通过数字光处理（DLP）3D打印技术，制备了以HEMA/PEGDA为基础、经TMSPMA改性的硅水凝胶接触透镜。系统研究了TMSPMA浓度对材料力学强度、热稳定性、水合动力学及细胞相容性的影响。结果表明，适度添加TMSPMA可提升网络交联密度，增强力学性能与尺寸精度，同时THPT4配方细胞存活率达~80%，生物相容性显著改善。该研究为个性化、多功能智能接触透镜的制造提供了新材料策略。
在当今生物医学工程领域，接触透镜已远远超越了传统的视力矫正功能，化身为集药物递送、生理监测、甚至治疗干预于一体的智能可穿戴平台。从缓释皮质类固醇治疗角膜炎症，到集成葡萄糖传感器实现无创血糖监控，再到搭载无线电路加速角膜伤口愈合，这些前沿应用不断拓展着接触透镜的可能性边界。然而，梦想照进现实的道路上却横亘着几道关键的“制造鸿沟”：传统的车削、旋转浇铸和铸模成型等工艺虽然成熟，却难以灵活应对复杂几何形状和个性化定制的需求；而新兴的增材制造技术，尤其是能在微尺度上实现高精度、光滑表面制备的数字光处理（DLL）光聚合技术，为破解这一难题带来了曙光。但即便如此，材料本身的局限性——如何在确保光学透明度、佩戴舒适度和生物相容性的同时，赋予透镜足够的机械强度、热稳定性和特定功能——依然是制约其迈向临床应用的核心挑战。
为此，来自哈利法科学技术大学的研究团队在《Materials Today Advances》上发表了一项创新研究。他们巧妙地设计了一种新型光固化树脂，将常用于商业水凝胶透镜的2-羟乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）与一种含硅烷功能基团的单体——（3-（三甲氧基甲硅烷基）丙基甲基丙烯酸酯（TMSPMA）——进行共聚。通过DLP 3D打印技术，他们成功制造了一系列硅水凝胶接触透镜，并系统性地探索了TMSPMA的掺入浓度如何像一位精准的“材料调音师”，细致调控着最终产品的力学性能、水合行为、热稳定性、表面形貌乃至细胞相容性。这项研究不仅为按需定制个性化透镜提供了可行的技术方案，更在材料科学层面揭示了通过分子设计优化硅水凝胶综合性能的新途径。
为开展这项研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术方法：首先，采用基于数字光处理（DLP）的光聚合增材制造技术，配合自主配置的HEMA/PEGDA/TMSPMA光敏树脂，直接打印接触透镜结构。其次，运用能量色散X射线光谱（EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对材料的元素组成与化学结构进行表征。第三，通过激光扫描轮廓仪和图像分析软件评估透镜的表面粗糙度与几何尺寸保真度。第四，采用平衡水含量（EWC）、凝胶分数和溶胀动力学测试分析材料的水合性能。第五，利用紫外-可见分光光度计测量光学透过率。第六，以ARPE-19细胞系为模型，通过活/死细胞染色及荧光成像进行体外细胞毒性评估。第七，通过热重分析（TGA）评价材料的热稳定性。第八，使用流变仪分析水凝胶的粘弹性与结构恢复能力。最后，在完全水合状态下，依据ASTM标准进行单轴拉伸和三点弯曲等力学性能测试。
4. 结果与讨论
4.1. 能量色散光谱
EDS分析确认了TMSPMA的成功引入。对照样HPT仅检测到碳和氧，而所有含TMSPMA的样品均显示出明确的硅信号，且硅含量随配方中TMSPMA比例增加而系统性地从THPT1的1.1 wt%升至THPT4的6.61 wt%。硅元素面分布图显示其在凝胶基质中均匀分布，无明显的相分离区域，表明TMSPMA在聚合物网络中实现了分子水平的结合。
4.2. 傅里叶变换红外光谱分析
FTIR光谱在TMSPMA改性样品中观察到~812 cm-1处的特征峰，该峰存在于TMSPMA标准品中而在HPT对照中缺失，其强度随TMSPMA含量增加而增强。这为材料中引入了与硅氧烷相关的结构振动提供了光谱学证据。
4.3. 表面粗糙度
表面形貌分析显示，随着TMSPMA含量增加，表面粗糙度呈下降趋势。HPT的平均粗糙度为12.709 μm，而THPT4则降至5.079 μm，表明TMSPMA的掺入有助于获得更光滑的表面，这对于接触透镜的光学质量和佩戴舒适度至关重要。
4.4. 尺寸保真度与透镜几何形状
从光学图像测量得到的矢高（约2.3 mm）和曲率半径（约13.6 mm）在水合前后保持稳定，证明了DLP工艺在制造具有特定几何形状的透镜方面具有良好的尺寸控制能力。
4.5. 平衡水含量与接触角
EWC测试表明，增加TMSPMA会降低材料的平衡水含量，HPT最高（18.92%），THPT4最低（12.31%）。接触角测量显示，TMSPMA的加入使接触角从HPT的52°温和增加至THPT4的66.5°，但仍保持亲水性表面。这说明TMSPMA通过提高交联密度和引入疏水成分，在可控范围内调节了材料的水合能力和表面润湿性。
4.6. 光学透明性与凝胶分数
所有水合样品在可见光区（400-800 nm）的光透过率均达到89%-91%，满足接触透镜的光学要求。凝胶分数分析显示所有配方的凝胶分数均≥96%，表明形成了稳固的聚合物网络，但部分低中浓度TMSPMA样品存在影响透明度的条纹和裂纹，提示需要优化固化工艺以减少结构缺陷。
4.7. 溶胀动力学
溶胀动力学结果显示，所有样品均在24小时内达到溶胀平衡。HPT显示出最大的溶胀能力和速率，而随着TMSPMA含量增加，溶胀速率和程度均下降，THPT4最低。这进一步印证了高交联密度网络对水分吸收的限制作用。
4.8. 细胞毒性
使用ARPE-19细胞进行的活/死检测表明，细胞存活率与TMSPMA浓度呈正相关。HPT及低浓度TMSPMA样品（THPT1, THPT2）细胞活力较低（<50%），而高浓度TMSPMA配方（THPT3, THPT4）显著改善了生物相容性，其中THPT4在24小时后的细胞活力接近80%，荧光图像显示密集的活细胞信号，与对照组相近。统计分析（双因素方差分析及Dunnett事后检验）确认了THPT3和THPT4与对照组相比无显著差异。这归因于TMSPMA提高了网络交联度，减少了残余单体溶出，从而提升了生物安全性。
4.9. 热表征
热重分析表明，TMSPMA的引入提升了材料的热稳定性。HPT的分解起始温度约为365°C，而THPT4延迟至约400°C，且在高温下残留物更多。热稳定性的提升顺序为THPT4 > THPT3 > THPT2 > THPT1 > HPT，这得益于硅元素的引入和交联密度的增加。
4.10. 流变性能
应变扫描和频率扫描测试确认所有水合样品在低应变/宽频率范围内均表现为弹性主导（储能模量G′ > 损耗模量G″）。循环应变测试显示，材料在经历高应变（300%）导致的网络破坏后，恢复至低应变（2%）时模量能迅速复原，证明了水凝胶网络具有良好的结构恢复能力，这对于透镜在日常使用中承受形变至关重要。
4.11. 力学表征
在完全水合状态下进行的力学测试揭示了TMSPMA浓度与性能之间的复杂关系。拉伸测试显示，适量TMSPMA（THPT1, THPT2）能提升拉伸强度和断裂应变，但过量（THPT3, THPT4）会导致因相分离和界面结合弱化而引起的性能下降。拉伸模量则随TMSPMA增加总体呈上升趋势，THPT3达到最高值59.77 MPa。三点弯曲测试呈现类似规律：适量TMSPMA（THPT1）能提高弯曲强度，但更高浓度会降低强度；弯曲模量则随TMSPMA增加而增加，THPT2达到最高值93.58 MPa。这表明TMSPMA在增强材料刚度的同时，需要在韧性与强度之间寻求平衡点。
5. 结论与意义
本研究成功利用DLP 3D打印技术制备了TMSPMA改性的HEMA/PEGDA硅水凝胶接触透镜，并系统阐明了TMSPMA浓度对材料性能的多维度影响。研究表明，适度引入TMSPMA（如THPT2, THPT3）能够在保持高光学透明度（~90%）和可接受水合能力（EWC >14%）的前提下，有效提升材料的机械刚度、尺寸精度、热稳定性及表面光滑度。尤为重要的是，细胞毒性实验揭示了TMSPMA的浓度依赖性生物相容性改善机制，较高含量的TMSPMA（THPT4）能显著减少残余单体毒性，使细胞存活率提升至接近对照组的水平。
这项工作的意义在于，它不仅仅展示了一种新的制造方法，更重要的是从材料化学角度提供了一种通过单一功能单体（TMSPMA）的分子设计，来精细调控硅水凝胶综合性能的策略。TMSPMA的甲硅烷基既参与了光聚合交联，又可能通过后续水解缩合引入硅氧烷键，从而增强了网络稳定性和界面相容性，避免了传统硅水凝胶中常见的相分离问题。这为未来开发兼具优异机械性能、长期尺寸稳定性、良好生物相容性以及潜在药物负载或传感器集成能力的下一代个性化、多功能智能接触透镜奠定了坚实的材料基础。该研究标志着在克服增材制造技术材料瓶颈、推动定制化生物医疗器械发展方面迈出了关键一步。
