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(xì)介紹了由微流體技術(shù)進(jìn)行3D打印的新方法，該方法由化學(xué)工程助理教授Jianjian Wan領(lǐng)導(dǎo)。

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(jī)器人，組織工程和可穿戴技術(shù)中的潛在應(yīng)用。

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)，基于液滴的3D打印

研究人員首先解釋說，盡管3D打印技術(shù)可能旨在“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)用于基于擠出的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。”

確實，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)品為止。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)，而獲得適量的柔軟度可能是一個具有挑戰(zhàn)性的過程。

因此，Wan的小組尋求為基于擠出的3D打印創(chuàng)建一種方法，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，基于擠壓的3D打印機(jī)中使用的噴嘴類似于該團(tuán)隊一直在研究的玻璃毛細(xì)管微流體設(shè)備。這些設(shè)備相互之間使用多個噴嘴，意識到它可以適用于3D打印并用作打印頭：“大多數(shù)基于擠出的3D打印機(jī)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，我們認(rèn)為， “為什么不將其應(yīng)用于3D打印呢？””Jianjian Wan解釋說。

Wan的團(tuán)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(jī)聚合物中。PDMS圍繞滴頭流動，產(chǎn)生PEGDA的細(xì)小液滴，然后當(dāng)兩種材料在制造時都流到3D打印結(jié)構(gòu)上時，將其均勻地插入PDMS中。

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(kuò)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范圍，以設(shè)計其材料結(jié)構(gòu)并根據(jù)目標(biāo)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（包括水性和液態(tài)金屬液滴）的空間分布，可以原位調(diào)整3D打印構(gòu)造的機(jī)械特性，”論文的作者解釋說。

在PDMS中對水滴進(jìn)行原位分散和3D打印

3D打印中的微流體

微流體學(xué)通常是指在尺寸為幾十微米的通道中進(jìn)行流體處理的技術(shù)。基于微流控技術(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。確實，在2019年，歐洲研究人員對3D打印微流體應(yīng)用進(jìn)行了評論，他們指出：“最終將允許創(chuàng)建越來越智能，反應(yīng)靈敏和自主化的新一代設(shè)備，這些設(shè)備能夠以復(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開發(fā)了一種簡單的方法來對與流體處理和功能組件集成的3D打印微流體設(shè)備進(jìn)行開發(fā)。

此外，來自紐約基因組中心（NYGC）和紐約大學(xué)（NYU）的研究人員創(chuàng)建了一種開源的床頭3D打印液滴微流體控制儀器。該設(shè)備代表了一種便宜，可使用的方法，用于識別和靶向正確的細(xì)胞以治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎（RA）等疾病。

本文討論的研究“使用可編程的液滴夾雜物按需調(diào)制3D打印的彈性體”已發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）中。
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