三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的同時多材料嵌入式打印

供稿人：李翏合、高琳
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

3D打印的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到組織工程，通過創(chuàng)建包含特定細(xì)胞的定制組織結(jié)構(gòu)來模擬天然組織的結(jié)構(gòu)。對于目前日漸成熟的生物3D打印技術(shù)，僅用一種材料在體外構(gòu)建功能齊全的組織和器官是不現(xiàn)實(shí)的。作為當(dāng)前挑戰(zhàn)的解決方案，多材料生物打印技術(shù)為體外構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了不同的細(xì)胞和生物材料選擇。對多材料生物打印而言，打印具有精確材料分布的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時保持合理的整體結(jié)構(gòu)完整性一直是一個挑戰(zhàn)。

針對以上問題，浙江大學(xué)與英國巴斯大學(xué)的研究人員提出了一種同時多材料嵌入式打印方法，如圖1（a）所示。該方法采用嵌入式懸浮浴打印，使用多個獨(dú)立控制的傾斜角度噴嘴，將不同的材料沉積到嵌入介質(zhì)的單個裂縫中，擠出的微絲能夠牢固地融合并沉積在精確的空間位置，如圖1（b）所示。研究人員基于嵌入式打印原理，通過數(shù)學(xué)計(jì)算和定量表征，發(fā)現(xiàn)同時打印方法通過調(diào)節(jié)打印速度和包埋介質(zhì)的流變性能更好地控制結(jié)構(gòu)的形態(tài)，提高印刷精度。

圖1 同時多材料嵌入式打印設(shè)備及流程

為了驗(yàn)證提出的同時打印方法，研究人員打印了圖2中展示的一系列管狀和球形多層結(jié)構(gòu)，包括雙層中空直管、雙層半球管、雙層y形管，以及小腸和肝臟的雙層結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，當(dāng)打印層厚小于200μm時，打印精度較高。同時相較于順序打印方法，同時打印方法制造的兩層結(jié)構(gòu)具有良好的粘附性。為了驗(yàn)證打印件的結(jié)構(gòu)完整性，研究人員采用同時打印、順序打印和鑄造三種方法進(jìn)行制造，采用材料剝離實(shí)驗(yàn)來測量不同材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的順序打印方法相比，同時打印方法下兩種材料間的結(jié)合強(qiáng)度增加了一倍，達(dá)到7.12 J m−2。

圖2 不同形狀的同時打印的多層結(jié)構(gòu)

研究人員認(rèn)為，所提出的打印方法展現(xiàn)了制造具有高精度和良好結(jié)構(gòu)完整性的多材料多層結(jié)構(gòu)的潛力，使其成為制造軟生物材料和軟復(fù)合材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種有前途的技術(shù)。此外，由于同時打印方法具有良好的精度和結(jié)構(gòu)保真度，該方法有潛力應(yīng)用于其他聚合物材料的多材料增材制造應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
Ziqi G ,Jun Y ,Peng L , et al. Simultaneous multi-material embedded printing for 3D heterogeneous structures[J]. International Journal of Extreme Manufacturing,2023,5(3).