斯坦福和哈佛大學(xué)共同開發(fā)光轉(zhuǎn)換納米粒子，不需要支撐結(jié)構(gòu)也可3D打印樹脂部件

2022年4月22日，南極熊獲悉，斯坦福和哈佛大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的體積3D打印方法，能夠在不需要任何支撐結(jié)構(gòu)的情況下制造樹脂部件。

該方法依賴于一種含有納米顆粒的樹脂材料，這種材料只有在聚焦的激光點(diǎn)噴射時(shí)才會(huì)硬化。通過改變激光焦點(diǎn)，可以在樹脂池中的任何點(diǎn)進(jìn)行打印，而不僅僅是在表層。

通過新技術(shù)，新型3D打印機(jī)不再遵循自下而上的逐層打印順序，為從任何方向進(jìn)行復(fù)雜的圖形打印鋪平了道路。

△斯坦福大學(xué)研究人員打印的一個(gè)微型樹脂長凳3D模型。照片來自Dan Congreve

用于3D打印的光轉(zhuǎn)換納米粒子
斯坦福3D打印的方法看起來很像傳統(tǒng)的立體光刻 (SLA)。激光束照射在大桶中的樹脂上，當(dāng)它暴露在藍(lán)光下時(shí)會(huì)固化。然而，該團(tuán)隊(duì)聲稱，他們并不僅僅使用標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)色激光，因?yàn)檫@樣會(huì)沿著穿透光束的整個(gè)長度固化樹脂。

相反，他們利用了一種特殊的樹脂，其中含有直徑僅為80納米的光轉(zhuǎn)換納米粒子。納米粒子的設(shè)計(jì)目的是在達(dá)到臨界能量閾值時(shí)，將紅光轉(zhuǎn)換為藍(lán)光。而這只有在激光，處于最大焦點(diǎn)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。因此，該技術(shù)改用標(biāo)準(zhǔn)紅色激光，并具有稀釋和聚焦紅色激光的機(jī)制。

該設(shè)置消除了僅能在表面層固化的可能，從而可以通過將紅色激光聚焦在XYZ坐標(biāo)上固化樹脂槽中的各個(gè)點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)表示，換句話說，一個(gè)或多個(gè)激光器可以圍繞大桶旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于同時(shí)從任意方向進(jìn)行體積打印，從而實(shí)現(xiàn)制造任意幾何形狀時(shí)，無需支撐。

△最大焦點(diǎn)是樹脂將紅光變成藍(lán)光，從而固化材料的地方。圖片來自斯坦福大學(xué)

三重融合上轉(zhuǎn)換
將一種波長的光轉(zhuǎn)換為另一種波長的機(jī)制稱為三重聚變上轉(zhuǎn)換，這是一名叫Congreve的科研人員正在研究的方向。

“我在研究生時(shí)就對(duì)這種變頻技術(shù)很感興趣，”他補(bǔ)充道?！八谔柲?、生物以及現(xiàn)在的3D打印方面有各種有趣的應(yīng)用。現(xiàn)在，我們將它們?cè)O(shè)計(jì)為發(fā)射正確波長的光，高效發(fā)射，并分散在樹脂中。”

為了配制特殊的樹脂混合物，該團(tuán)隊(duì)先將活性轉(zhuǎn)換分子轉(zhuǎn)化為納米級(jí)液滴，再將它們涂敷在二氧化硅層上。所得的納米膠囊分布在整個(gè)樹脂基中，最終形成最終的光轉(zhuǎn)換復(fù)合材料。

“弄清楚如何使納米膠囊變得堅(jiān)固并非易事——3D打印樹脂技術(shù)實(shí)際上非常困難，”該研究的主要作者之一 Tracy Schloemer說?！叭绻@些納米膠囊開始分崩離析，它們無法轉(zhuǎn)換又或者溢出，這樣會(huì)進(jìn)一步影響它們之間的分子碰撞?！?br />
他們目前還在正在研究光轉(zhuǎn)換納米膠囊的其他應(yīng)用。例如開發(fā)更高效的太陽能電池板，從而可以將低能光轉(zhuǎn)換為太陽能電池更容易捕獲的波長。他們甚至還在研究用光來驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的生物模型。

△該研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為“用于體積3D打印的三重融合上轉(zhuǎn)換納米膠囊”的論文中找到。（點(diǎn)我傳輸門）

雖然他們的3D打印技術(shù)已經(jīng)很先進(jìn)，但斯坦福大學(xué)的研究人員并不是第一個(gè)探索體積3D 打印的人。 Utrecht University大學(xué)的一個(gè)研究小組最近使用新開發(fā)的超快體積3D生物打印方法，成功地制造了肝臟。在不到20秒的時(shí)間內(nèi)打印出來，肝臟單元能夠模擬天然肝臟在我們體內(nèi)執(zhí)行的毒素清除過程，并可以為再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化藥物測(cè)試開辟新的機(jī)會(huì)。

△通過可見光斷層掃描，體積生物打印方法通過使細(xì)胞“透明”，成功打印微型干細(xì)胞單元。圖片來自 Advanced Materials

在其他地方，倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)一個(gè)研究小組同樣使用體積3D打印，在幾秒鐘內(nèi)制造出載藥片劑。據(jù)稱該團(tuán)隊(duì)在17秒內(nèi)成功生產(chǎn)出含有撲熱息痛的藥片，這比目前在研究和一些臨床環(huán)境中用于打印藥物的方法要快得多。