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(dǎo)的研究團隊開發(fā)的使用微流體技術(shù)進行3D打印的新方法。

 

據(jù)悉，這項新技術(shù)使用基于液滴的多相微流體系統(tǒng)來高效地3D打印微調(diào)的柔性材料。它允許用戶實時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)開發(fā)基于液滴的3D打印新技術(shù)

 

研究人員解釋說，盡管3D打印技術(shù)的目標(biāo)可能是“無縫改變打印結(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，并且動態(tài)調(diào)整油墨成分的可用方法仍然很少。”

 

實際上，使用傳統(tǒng)的基于擠出的3D打印技術(shù)，材料被推過噴嘴，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研究人員來說可能是一個具有挑戰(zhàn)性的過程。

 

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打印機中使用的噴嘴類似于該團隊一直在研究的玻璃毛細管微流體設(shè)備。這些設(shè)備相互之間使用多個噴嘴，當(dāng)研究人員意識到它可以適合3D打印并用作打印頭。“大多數(shù)基于擠出的3D打印機使用非常簡單的噴嘴，并且由于我們已經(jīng)開發(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??？’”Wan解釋說。

 

Wan的團隊開發(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）的硅基有機聚合物中。 PDMS在滴頭周圍流動，產(chǎn)生PEGDA的細小液滴，然后當(dāng)兩種材料在制造時都注入到3D打印結(jié)構(gòu)上時，將其均勻地插入PDMS。

 

最終結(jié)構(gòu)被描述為看起來像“吃豆人迷宮”，其上有被PDMS圍繞的PEGDA小滴點。 PEGDA從液滴中擴散出來后，會干擾PDMS的聚合過程，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，可以通過改變液滴的大小和流速來改變結(jié)構(gòu)的柔韌性。這為研究人員提供了廣泛的選擇，通過設(shè)計他們的材料結(jié)構(gòu)并針對預(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)的機械特性，”該論文的作者解釋道。

 

 

研究員使用微流體技術(shù)開發(fā)基于液滴的3D打印技術(shù)

在PDMS中對水滴進行原位分散和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3D打印微流體應(yīng)用進行了評論，他們指出：“最終將允許創(chuàng)建新一代的越來越智能、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)計大學(xué)（SUTD）的Soft Fluidics Lab于2019年8月開發(fā)了一種簡單的方法來對3D打印微流體設(shè)備進行集成，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、可訪問的技術(shù)，用于識別和靶向正確的細胞以治療類風(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)表在美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）中。