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)

 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，詳細介紹了由化學(xué)工程學(xué)助理教授Jianjian Wan領(lǐng)導的研究團隊開(kāi)發(fā)的使用微流體技術(shù)進(jìn)行3D打印的新方法。

 

據悉，這項新技術(shù)使用基于液滴的多相微流體系統來(lái)高效地3D打印微調的柔性材料。它允許用戶(hù)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構。研究人員看到了該技術(shù)在軟機器人、組織工程和可穿戴技術(shù)中的潛在應用。

 

 

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)的目標可能是“無(wú)縫改變打印結構中的成分和功能特性”。但是，大多數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)調整油墨成分的可用方法仍然很少。”

 

實(shí)際上，使用傳統的基于擠出的3D打印技術(shù)，材料被推過(guò)噴嘴，然后逐層重復地添加到結構中，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構，難以獲得適量的柔軟度對研究人員來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)具有挑戰性的過(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)使用液滴夾雜物調制擠出的墨水。研究人員注意到，在基于擠壓的3D打印機中使用的噴嘴類(lèi)似于該團隊一直在研究的玻璃毛細管微流體設備。這些設備相互之間使用多個(gè)噴嘴，當研究人員意識到它可以適合3D打印并用作打印頭。“大多數基于擠出的3D打印機使用非常簡(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備，我們認為，‘為什么不將其應用于3D打??？’”Wan解釋說(shuō)。

 

Wan的團隊開(kāi)發(fā)了一種設備，該設備使用多相滴注系統將聚乙二醇二丙烯酸酯水溶液（PEGDA）的液滴封裝在一種稱(chēng)為聚二甲基硅氧烷（PDMS）的硅基有機聚合物中。 PDMS在滴頭周?chē)鲃?dòng)，產(chǎn)生PEGDA的細小液滴，然后當兩種材料在制造時(shí)都注入到3D打印結構上時(shí)，將其均勻地插入PDMS。

 

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

 

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構。此外，可以通過(guò)改變液滴的大小和流速來(lái)改變結構的柔韌性。這為研究人員提供了廣泛的選擇，通過(guò)設計他們的材料結構并針對預期應用改變靈活性，而這是基于標準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），可以原位調整3D打印結構的機械特性，”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十微米的通道中進(jìn)行流體處理的技術(shù)?；谖⒘黧w技術(shù)的3D打印并不是一個(gè)新概念，利用該技術(shù)的各種系統和流程都可以使用。如在2019年，歐洲研究人員對3D打印微流體應用進(jìn)行了評論，他們指出：“最終將允許創(chuàng )建新一代的越來(lái)越智能、反應迅速和自主的設備，它們能夠以復雜的方式感知和作用于環(huán)境，減少了人工干預。”

 

例如，新加坡科技設計大學(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3D打印微流體設備進(jìn)行集成，該設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。該設備代表了一種便宜、可訪(fǎng)問(wèn)的技術(shù)，用于識別和靶向正確的細胞以治療類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節炎（RA）等疾病。

 

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