Science Advances：3D打印具有機械驅(qū)動性質(zhì)的多材料支架

來源：EngineeringForLife

對多材料高精度微結(jié)構(gòu)的打印需求一直存在于各種生物醫(yī)學領域，靜電紡絲技術雖然具有材料的可擴展性和兼容性，但通常缺乏精確的三維控制。Chungnam National University的Kyung Jin Lee 和 University of Michigan的Joerg Lahann團隊，在Science Advances上發(fā)表了名為“3D jet writing of mechanically actuated tandem scaffolds”的文章，通過反轉(zhuǎn)電場，提高電流體打印的材料適應性，實現(xiàn)精確設計的3D結(jié)構(gòu)的高通量生產(chǎn)，成功打印具有溫控特性的可變形多材料支架。

文章提出了一種反轉(zhuǎn)電極打印系統(tǒng)（CREW），通過反轉(zhuǎn)電極，移動基板接高壓，噴嘴接地，降低了電流體射流的凈表面電荷，有效抑制射流的鞭動不穩(wěn)定性，并且可實現(xiàn)單相/多相材料與多噴頭結(jié)構(gòu)的并行打印，如圖1。對于打印的流體溶液，則需要滿足兩個條件：（1）粘度合理（1000-1200cps）；（2）蒸發(fā)速率合適，在打印過程中凝固但不堵塞噴頭。

圖1 打印系統(tǒng)示意圖

通過降低射流的凈電勢，阻尼粘彈性力超過了庫侖斥力，抑制了彎曲不穩(wěn)定性的發(fā)生，從而能夠制備精確沉積的三維纖維結(jié)構(gòu)，如圖2。在電極反轉(zhuǎn)的電噴射系統(tǒng)中，較重的陽離子，向負極性壁移動，導致帶電射流的凈電勢較低。當這個電荷密度變得足夠低，彎曲失穩(wěn)開始得到了有效的抑制。

圖2 反轉(zhuǎn)電場射流機理

圖3展示了使用CREW系統(tǒng)打印的PLGA三角網(wǎng)格和蜂窩結(jié)構(gòu)，單纖維直徑在10μm左右，并且實現(xiàn)纖維的堆疊。通過調(diào)節(jié)施加電壓、聚合物溶液的進料速率、聚合物溶液的濃度和接收基板的移動速度，可以控制單根纖維的直徑。

圖3 微結(jié)構(gòu)打印電鏡圖

在傳統(tǒng)的電場輔助3D打印中，打印不同的材料通常需要具有針對性的打印參數(shù)調(diào)試與優(yōu)化。但是使用反轉(zhuǎn)電場系統(tǒng)，由于正電荷施加于收集板，只要保持相互作用，溶液的電流體力學效應將會被控制得很小。因此，不同類型的聚合物溶液可以很容易地進行打印，而不需要繁瑣的優(yōu)化。圖4顯示了由不同聚合物制成的3D打印支架的掃描電鏡(SEM)圖像：TPU、疊氮TPU、PLGA、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚肉桂酸乙烯酯(PVCi)和聚羥基丁酸酯(PHB)。盡管每一種聚合物溶液（聚合物類型和溶劑體系）在組分上都是不同的，但觀察到相似的射流行為，這使得打印可以使用幾乎相同的實驗參數(shù)。單根聚合物纖維的三維形狀和厚度也非常相似，具有相當?shù)耐ㄓ眯�。當聚合物溶液的粘度在一定范圍�?nèi)(1000-1200 cps)，可以制造出幾乎相同的微結(jié)構(gòu)。

圖4 多種材料的微結(jié)構(gòu)打印

CREW的高分辨率和材料多樣性使制備具有宏觀分辨率的熱驅(qū)動折疊結(jié)構(gòu)成為可能。在這里，為了模擬花的運動，將PLGA和PMMA兩種材料分層打印，制備了雙層花圖案（圖5）。PLGA和PMMA微纖維在80°C時不同的熱膨脹導致定向彎曲運動，從而導致整個結(jié)構(gòu)以高度可控的方式受控驅(qū)動。

圖5 串聯(lián)結(jié)構(gòu)支架與溫敏變形特性

如上所述，構(gòu)成3D結(jié)構(gòu)的聚合物組成并不局限于單一材料，而是可以擴展到雙相甚至多相。圖6顯示了兩相纖維堆疊的多個共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)圖像，分別為PLGA/TPU；PMMA/TPU (red/green)；PMMA/PLGA (red/blue)；PLGA/PVCi (blue/red)；TPU (green dye)/ATPU；疊氮反應后的TPU/ATPU。

圖6 不同材料結(jié)構(gòu)的熒光照片

與傳統(tǒng)電輔助打印系統(tǒng)相比，CREW在高產(chǎn)量生產(chǎn)方面具有優(yōu)勢。一般來說，將靜電紡絲方法擴展到多噴嘴系統(tǒng)很困難，因為增加針的數(shù)量會導致單個噴嘴之間的電干擾。然而，由于電壓施加于收集端，噴頭接地，可以增加針的數(shù)量，同時避免平行聚合物射流之間的干擾。如圖7所示，盡管與其他針接近(低至5毫米)，每個針仍能保持穩(wěn)定的射流。另外，在打印過程中，每個針上可以同時采用各種聚合物溶液。從掃描電鏡圖像來看，每根針上的聚合物纖維在厚度和3D堆疊的形狀方面都非常接近。

圖7 多噴頭并行打印

本文提出了一種反轉(zhuǎn)電場的電輔助3D打印方法（CREW），通過反轉(zhuǎn)電場最小化了打印過程中的射流鞭動，實現(xiàn)了在同種工藝參數(shù)下多材料、多噴嘴的打印，成功制造具有溫度驅(qū)動特性的可控折疊結(jié)構(gòu)。該技術可用于多材料、高通量的精密結(jié)構(gòu)打印。



論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/16/eabf5289