三維異質結構的同時多材料嵌入式打印

供稿人：李翏合、高琳
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打?。┓謺?br />
3D打印的應用已經擴展到組織工程，通過創(chuàng)建包含特定細胞的定制組織結構來模擬天然組織的結構。對于目前日漸成熟的生物3D打印技術，僅用一種材料在體外構建功能齊全的組織和器官是不現(xiàn)實的。作為當前挑戰(zhàn)的解決方案，多材料生物打印技術為體外構建異質結構提供了不同的細胞和生物材料選擇。對多材料生物打印而言，打印具有精確材料分布的異質結構，同時保持合理的整體結構完整性一直是一個挑戰(zhàn)。

針對以上問題，浙江大學與英國巴斯大學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，使用多個獨立控制的傾斜角度噴嘴，將不同的材料沉積到嵌入介質的單個裂縫中，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)學計算和定量表征，發(fā)現(xiàn)同時打印方法通過調節(jié)打印速度和包埋介質的流變性能更好地控制結構的形態(tài)，提高印刷精度。

圖1 同時多材料嵌入式打印設備及流程

為了驗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構，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構。結果表明，當打印層厚小于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構具有良好的粘附性。為了驗證打印件的結構完整性，研究人員采用同時打印、順序打印和鑄造三種方法進行制造，采用材料剝離實驗來測量不同材料之間的粘結強度。實驗結果發(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合強度增加了一倍，達到7.12 J m−2。

圖2 不同形狀的同時打印的多層結構

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

參考文獻：
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).