Science Advances:3D打印具有机械驱动性质的多材料支架

3D打印生物医疗
2021
06/15
11:29
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来源:EngineeringForLife

对多材料高精度微结构的打印需求一直存在于各种生物医学领域,静电纺丝技术虽然具有材料的可扩展性和兼容性,但通常缺乏精确的三维控制。Chungnam National University的Kyung Jin Lee 和 University of Michigan的Joerg Lahann团队,在Science Advances上发表了名为“3D jet writing of mechanically actuated tandem scaffolds”的文章,通过反转电场,提高电流体打印的材料适应性,实现精确设计的3D结构的高通量生产,成功打印具有温控特性的可变形多材料支架。

文章提出了一种反转电极打印系统(CREW),通过反转电极,移动基板接高压,喷嘴接地,降低了电流体射流的净表面电荷,有效抑制射流的鞭动不稳定性,并且可实现单相/多相材料与多喷头结构的并行打印,如图1。对于打印的流体溶液,则需要满足两个条件:(1)粘度合理(1000-1200cps);(2)蒸发速率合适,在打印过程中凝固但不堵塞喷头。

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图1 打印系统示意图

通过降低射流的净电势,阻尼粘弹性力超过了库仑斥力,抑制了弯曲不稳定性的发生,从而能够制备精确沉积的三维纤维结构,如图2。在电极反转的电喷射系统中,较重的阳离子,向负极性壁移动,导致带电射流的净电势较低。当这个电荷密度变得足够低,弯曲失稳开始得到了有效的抑制。

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图2 反转电场射流机理

图3展示了使用CREW系统打印的PLGA三角网格和蜂窝结构,单纤维直径在10μm左右,并且实现纤维的堆叠。通过调节施加电压、聚合物溶液的进料速率、聚合物溶液的浓度和接收基板的移动速度,可以控制单根纤维的直径。

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图3 微结构打印电镜图

在传统的电场辅助3D打印中,打印不同的材料通常需要具有针对性的打印参数调试与优化。但是使用反转电场系统,由于正电荷施加于收集板,只要保持相互作用,溶液的电流体力学效应将会被控制得很小。因此,不同类型的聚合物溶液可以很容易地进行打印,而不需要繁琐的优化。图4显示了由不同聚合物制成的3D打印支架的扫描电镜(SEM)图像:TPU、叠氮TPU、PLGA、聚己内酯(PCL)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚肉桂酸乙烯酯(PVCi)和聚羟基丁酸酯(PHB)。尽管每一种聚合物溶液(聚合物类型和溶剂体系)在组分上都是不同的,但观察到相似的射流行为,这使得打印可以使用几乎相同的实验参数。单根聚合物纤维的三维形状和厚度也非常相似,具有相当的通用性。当聚合物溶液的粘度在一定范围内(1000-1200 cps),可以制造出几乎相同的微结构。

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图4 多种材料的微结构打印

CREW的高分辨率和材料多样性使制备具有宏观分辨率的热驱动折叠结构成为可能。在这里,为了模拟花的运动,将PLGA和PMMA两种材料分层打印,制备了双层花图案(图5)。PLGA和PMMA微纤维在80°C时不同的热膨胀导致定向弯曲运动,从而导致整个结构以高度可控的方式受控驱动。

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图5 串联结构支架与温敏变形特性

如上所述,构成3D结构的聚合物组成并不局限于单一材料,而是可以扩展到双相甚至多相。图6显示了两相纤维堆叠的多个共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像,分别为PLGA/TPU;PMMA/TPU (red/green);PMMA/PLGA (red/blue);PLGA/PVCi (blue/red);TPU (green dye)/ATPU;叠氮反应后的TPU/ATPU。

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图6 不同材料结构的荧光照片

与传统电辅助打印系统相比,CREW在高产量生产方面具有优势。一般来说,将静电纺丝方法扩展到多喷嘴系统很困难,因为增加针的数量会导致单个喷嘴之间的电干扰。然而,由于电压施加于收集端,喷头接地,可以增加针的数量,同时避免平行聚合物射流之间的干扰。如图7所示,尽管与其他针接近(低至5毫米),每个针仍能保持稳定的射流。另外,在打印过程中,每个针上可以同时采用各种聚合物溶液。从扫描电镜图像来看,每根针上的聚合物纤维在厚度和3D堆叠的形状方面都非常接近。

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图7 多喷头并行打印

本文提出了一种反转电场的电辅助3D打印方法(CREW),通过反转电场最小化了打印过程中的射流鞭动,实现了在同种工艺参数下多材料、多喷嘴的打印,成功制造具有温度驱动特性的可控折叠结构。该技术可用于多材料、高通量的精密结构打印。



论文链接:
https://advances.sciencemag.org/content/7/16/eabf5289


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