供稿人：張益?zhèn)?、楊?供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-11-06
超低界面張力增材制造（AMULIT）AMULIT與嵌入式3D打印原理一樣，利用材料的剪切力特性，但AMULIT中所使用的支撐材料是一種填充的反向乳液，由硅油連續(xù)體中的水滴組成，利用了與有機硅油墨接觸時表現(xiàn)出可忽略不計的界面張力的特性，展示出類似于剪切力的效果。最近，一篇名為《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”》的文章研究開發(fā)了一種有機硅 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)可產(chǎn)生由幾種市售有機硅配方制成的精確、準確、堅固和功能性結(jié)構(gòu)。為了達到這種性能水平，作者開發(fā)了一種由硅油乳液制成的支撐材料。這種材料對有機硅油墨的界面張力可以忽略不計，消除了經(jīng)常導(dǎo)致印刷有機硅特征變形和破裂的破壞性力。
為了配制用于使用PDMS油墨進行3D打印的AMBILIT支持介質(zhì)，作者制備了以硅油為連續(xù)相的反向乳液。對于所有配方，作者發(fā)現(xiàn)由硅油中的純水滴制成的乳液非常渾濁，并且抑制了印刷過程的可視化。為了制造光學(xué)透明的乳液，作者通過在液滴中加入甘油來匹配兩相的折射率，這使得3D打印過程可以通過攝影在宏觀尺度上成像，并在微觀尺度上使用共聚焦熒光顯微鏡（CFM）成像（圖1D-G）。為了測試界面張力在嵌入式3D打印中的作用，作者將AMULIT支撐介質(zhì)的性能與由在水中膨脹的填充水凝膠微粒制成的全水支撐介質(zhì)進行了比較。結(jié)果表明，AMULIT方法可以實現(xiàn)比將PDMS印刷到具有相同材料特性的水性支持介質(zhì)中時所能實現(xiàn)的特征小300至500倍的特征。
圖1 界面張力驅(qū)動器在嵌入式3D打印中具有分解功能
如圖2A所示，做著通過X射線計算機斷層掃描(XRCT)，收集了患者腦動脈瘤的3D血管造影，創(chuàng)建一系列3D打印軌跡。將打印結(jié)構(gòu)在60°C下固化24小時，然后用XRCT成像（圖2C）。通過3D掃描的水平和垂直切片顯示，高度分支的復(fù)雜打印血管網(wǎng)絡(luò)是空心的，平均壁厚為≈400 μm（圖2D）。使用打印結(jié)構(gòu)的CT掃描創(chuàng)建3D模型，以便與原始血管造影進行定量比較?；颊哐苌Ｐ秃痛蛴∧Ｐ椭g的配準非常好；68%的打印表面位置位于其編程位置的500 μm范圍內(nèi)，95%位于1 mm以內(nèi)（圖2E、F）。AMULIT 3D打印方法可用于復(fù)制制造的硅膠瓣膜中薄主動脈瓣的復(fù)雜半月形。作者根據(jù)不同瓣膜組件的生理代表性尺寸（圖2G、H ）設(shè)計了一個心臟瓣膜模型。作者使用紫外線固化有機硅配方Silopren UV Electro-225-1作為油墨，并將其印刷到AMULIT材料中（圖2I）。
圖2 腦動脈瘤和主動脈心臟瓣膜模型的AMULIT打印
腦血管系統(tǒng)和心臟瓣膜模型的壁厚是通過使用特征直徑和層間距的組合來設(shè)置的。對于不同的打印件，可以通過選擇噴嘴平移速度ν和材料沉積速率Q的組合來選擇特征直徑d。為了系統(tǒng)地探索使用AMULIT技術(shù)預(yù)測d的程度，作者使用Smooth-On Mold Max 10 PDMS公式在ν和Q的不同組合下打印了一系列線性特征，然后測量了d（圖3A）。在Q和ν的不同組合下進行許多實驗，作者發(fā)現(xiàn)該預(yù)測與測量的特征直徑非常匹配，沒有可調(diào)參數(shù)（圖3B）。
圖3 控制AMULIT打印特征大小
為了測試層與層粘附力在樣品機械完整性中的作用，作者打印了樣品，其擠出特征相對于樣品幾何形狀的長軸在縱向和橫向方向上定向。將打印結(jié)構(gòu)在60°C下固化4小時，然后使用Instron 5943以500 mm/min的加載速率進行測試（圖4A、B）。拉伸應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)表明，橫向和縱向打印試樣的差異可以忽略不計，彈性模量相同，均為28 kPa（圖4C）。所有打印試樣在低應(yīng)變水平下均表現(xiàn)出線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，在較高應(yīng)變下表現(xiàn)出可重復(fù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在應(yīng)變大于1000%時失效。
圖4 AMULIT印刷有機硅結(jié)構(gòu)的材料和表面特性