近日，加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）的研究人員發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)介紹了由化學(xué)工程學(xué)助理教授Jianjian Wan領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的使用微流體技術(shù)進(jìn)行3D打印的新方法。

 

據(jù)悉，這項(xiàng)新技術(shù)使用基于液滴的多相微流體系統(tǒng)來(lái)高效地3D打印微調(diào)的柔性材料。它允許用戶實(shí)時(shí)操縱擠出的油墨成分和性能，從而能夠制造出具有不同成分和性能的各種功能結(jié)構(gòu)。研究人員看到了該技術(shù)在軟機(jī)器人、組織工程和可穿戴技術(shù)中的潛在應(yīng)用。

 

 

研究員使用微流體技術(shù)開(kāi)發(fā)基于液滴的3D打印技術(shù)

使用Wan Lab新的基于液滴的3D打印方法打印的材料

 

 

使用微流控技術(shù)開(kāi)發(fā)基于液滴的3D打印新技術(shù)

 

研究人員解釋說(shuō)，盡管3D打印技術(shù)的目標(biāo)可能是“無(wú)縫改變打印結(jié)構(gòu)中的成分和功能特性”。但是，大多數(shù)用于基于擠出打印的油墨在成分上都是靜態(tài)的，并且動(dòng)態(tài)調(diào)整油墨成分的可用方法仍然很少。”

 

實(shí)際上，使用傳統(tǒng)的基于擠出的3D打印技術(shù)，材料被推過(guò)噴嘴，然后逐層重復(fù)地添加到結(jié)構(gòu)中，直到完成產(chǎn)品。盡管這是一種高效且具有成本效益的方法，但它很難打印由多種材料制成的結(jié)構(gòu)，難以獲得適量的柔軟度對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程。

 

因此，Wan的研究小組尋求創(chuàng)建一種基于擠出的3D打印方法，該方法允許在打印時(shí)使用液滴夾雜物調(diào)制擠出的墨水。研究人員注意到，在基于擠壓的3D打印機(jī)中使用的噴嘴類似于該團(tuán)隊(duì)一直在研究的玻璃毛細(xì)管微流體設(shè)備。這些設(shè)備相互之間使用多個(gè)噴嘴，當(dāng)研究人員意識(shí)到它可以適合3D打印并用作打印頭。“大多數(shù)基于擠出的3D打印機(jī)使用非常簡(jiǎn)單的噴嘴，并且由于我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了這些玻璃微流體設(shè)備，我們認(rèn)為，‘為什么不將其應(yīng)用于3D打印？’”Wan解釋說(shuō)。

 

Wan的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種設(shè)備，該設(shè)備使用多相滴注系統(tǒng)將聚乙二醇二丙烯酸酯水溶液（PEGDA）的液滴封裝在一種稱為聚二甲基硅氧烷（PDMS）的硅基有機(jī)聚合物中。 PDMS在滴頭周圍流動(dòng)，產(chǎn)生PEGDA的細(xì)小液滴，然后當(dāng)兩種材料在制造時(shí)都注入到3D打印結(jié)構(gòu)上時(shí)，將其均勻地插入PDMS。

 

最終結(jié)構(gòu)被描述為看起來(lái)像“吃豆人迷宮”，其上有被PDMS圍繞的PEGDA小滴點(diǎn)。 PEGDA從液滴中擴(kuò)散出來(lái)后，會(huì)干擾PDMS的聚合過(guò)程，導(dǎo)致材料軟化并使結(jié)構(gòu)更柔韌。

 

Wan的研究小組還證明，基于液滴的3D打印方法可用于生產(chǎn)帶有封裝的聚合物顆粒和金屬液滴的柔性多孔結(jié)構(gòu)。此外，可以通過(guò)改變液滴的大小和流速來(lái)改變結(jié)構(gòu)的柔韌性。這為研究人員提供了廣泛的選擇，通過(guò)設(shè)計(jì)他們的材料結(jié)構(gòu)并針對(duì)預(yù)期應(yīng)用改變靈活性，而這是基于標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的方法所難以做到的。

 

“通過(guò)改變液滴的空間分布（包括水性和液態(tài)金屬液滴），可以原位調(diào)整3D打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性，”該論文的作者解釋道。

 

 

研究員使用微流體技術(shù)開(kāi)發(fā)基于液滴的3D打印技術(shù)

在PDMS中對(duì)水滴進(jìn)行原位分散和3D打印

 

3D打印中的微流體

 

微流體學(xué)通常是指在尺寸為數(shù)十微米的通道中進(jìn)行流體處理的技術(shù)。基于微流體技術(shù)的3D打印并不是一個(gè)新概念，利用該技術(shù)的各種系統(tǒng)和流程都可以使用。如在2019年，歐洲研究人員對(duì)3D打印微流體應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)論，他們指出：“最終將允許創(chuàng)建新一代的越來(lái)越智能、反應(yīng)迅速和自主的設(shè)備，它們能夠以復(fù)雜的方式感知和作用于環(huán)境，減少了人工干預(yù)。”

 

例如，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)（SUTD）的Soft Fluidics Lab于2019年8月開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)對(duì)3D打印微流體設(shè)備進(jìn)行集成，該設(shè)備與流體處理和功能組件集成在一起。

 

此外，在2018年3月，來(lái)自紐約基因組中心（NYGC）和紐約大學(xué)（NYU）的研究人員創(chuàng)建了一種開(kāi)源的3D打印液滴微流控儀器。該設(shè)備代表了一種便宜、可訪問(wèn)的技術(shù)，用于識(shí)別和靶向正確的細(xì)胞以治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎（RA）等疾病。

 

目前，題為“使用可編程的液滴夾雜物按需調(diào)制3D打印彈性體”的論文已發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊（PNAS）中。