特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。現(xiàn)狀
有機硅彈性體耐熱、耐化學(xué)劑、耐風(fēng)化、耐臭氧、耐潮濕、耐紫外線(UV)照射，使其成為制造無數(shù)產(chǎn)品的關(guān)鍵。有機硅彈性體結(jié)構(gòu)可以通過使用傳統(tǒng)技術(shù)，如成型，或先進技術(shù)，如軟光刻和3D打印制造。然而，由于液態(tài)硅預(yù)彈性體的界面行為所帶來的挑戰(zhàn)，使用有機硅彈性體的3D打印通常會導(dǎo)致低質(zhì)量的產(chǎn)品。這些挑戰(zhàn)可以通過使用嵌入支撐材料來部分解決，該材料在移動打印噴嘴周圍流動，同時將沉積的油墨捕獲在空間中，為打印結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定性。然而，即使在這樣的穩(wěn)定條件下，印刷油墨及其支撐介質(zhì)之間的界面張力也會在固化之前驅(qū)動印刷結(jié)構(gòu)的變形和破裂(圖1A-B)。用添加劑改性硅樹脂油墨可以穩(wěn)定3D打印結(jié)構(gòu)，但使用未經(jīng)改性的硅樹脂油墨進行增材制造的通用方法仍然難以捉摸。在不進行油墨改性的情況下，實現(xiàn)高質(zhì)量3D硅膠打印的一種方法是通過使用與其穩(wěn)定的印刷油墨化學(xué)性質(zhì)相似的支撐材料來消除界面張力的破壞作用(圖1C)。因此，迫切需要開發(fā)化學(xué)性質(zhì)類似于聚二甲基硅氧烷(PDMS)油墨的支撐材料。
解決方案
基于此，美國弗羅里達大學(xué)的Thomas E Angelini教授等報道一種由PDMS制成的3D打印精確、復(fù)雜詳細的結(jié)構(gòu)的方法（超低界面張力增材制造，AMULIT)，該結(jié)構(gòu)使用的支撐材料在與硅膠墨水接觸時表現(xiàn)出可忽略不計的界面張力。通過調(diào)整這種支撐材料的彈性和流動特性，實現(xiàn)了高性能打印，能夠制造如腦動脈瘤模型等復(fù)雜的形狀。各種結(jié)果表明，AMULIT 3D打印技術(shù)可以用于制造復(fù)雜的硅膠結(jié)構(gòu)，用于生物材料設(shè)計和手術(shù)模擬器，并且他們引入了將打印方法擴展到其他材料的可能性。論文以《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing》題發(fā)表在Science上。
為了制備一種適用于PDMS油墨3D打印的AMULIT支撐介質(zhì)，制備以硅油為連續(xù)相的逆乳狀液，并在樣品之間改變水滴填充分數(shù)φ和平均液滴半徑a（φ和a可獨立調(diào)節(jié)）以確定乳液的流變性能及其作為印刷支撐介質(zhì)的相應(yīng)性能。研究發(fā)現(xiàn)對于所有配方，由硅油中的純水滴制成的乳液非常渾濁，并且抑制了打印過程的可視化。為了制作光學(xué)清晰的乳液，通過向液滴中添加甘油來匹配兩相的折射率，這使得3D打印過程可以在宏觀尺度上用攝影成像，在微觀尺度上用共聚焦熒光顯微鏡(CFM)成像(圖1D-G)。為了測試界面張力在嵌入式3D打印中的作用，比較了AMULIT支撐介質(zhì)與由水凝膠微粒在水中膨脹制成的全水支撐介質(zhì)的性能。結(jié)果表明，AMULIT方法可以實現(xiàn)的特征比將PDMS打印到具有相同材料特性的水載介質(zhì)中所實現(xiàn)的特征小300-500倍。圖 1：嵌入式3D打印中界面張力驅(qū)動特征分解使用AMULIT技術(shù)制造復(fù)雜器件目前，PDMS容器模型在復(fù)雜性、質(zhì)量和功能方面的改進與硅樹脂油墨對其嵌入材料的界面張力的降低相似。研究嘗試打印一個腦動脈瘤模型，為了創(chuàng)建模型，使用X射線計算機斷層掃描(XRCT)收集了患者腦動脈瘤的3D血管造影。3D掃描被分割和處理，以創(chuàng)建一系列3D打印軌跡(圖2A)。打印過程的視頻快照展示了平移針如何輕松地流過堵塞的乳化液，從而將沉積的硅膠困住(圖2B)。打印的結(jié)構(gòu)在60°C下固化24 h，然后用XRCT成像(圖2C)。通過3D掃描的水平和垂直切片顯示，高度分枝的復(fù)雜打印血管網(wǎng)絡(luò)是中空的，平均壁厚約為400 μm(圖2D)。打印結(jié)構(gòu)的CT掃描用于創(chuàng)建3D模型，用于與原始血管造影進行定量比較。患者衍生模型和打印模型之間的配準(zhǔn)非常好(圖2E-F)。研究進一步嘗試打印既高度順從又物理健壯的結(jié)構(gòu)（人工主動脈瓣膜）。AMULIT 3D打印方法可用于復(fù)制復(fù)雜的半月形狀的薄主動脈瓣硅膠瓣膜。首先根據(jù)不同瓣膜部件的生理代表性尺寸設(shè)計了一個心臟瓣膜模型(圖2G-H)，用了一種紫外光固化硅膠配方作為墨水，并將其打印到AMULIT材料中(圖2I)。然后將打印的模型進行UV固化，從AMULIT材料中取出，用洗滌劑清洗，并用去離子水沖洗。模型閥的壁非常薄而靈活，在物理上也足夠堅固，可以連接到管件上，并通過循環(huán)抽水模擬經(jīng)瓣膜的血液流動。在代表舒張周期的負脈沖流動期間，小葉上的閥門保持關(guān)閉，很少偏轉(zhuǎn)(圖2J)，而在對應(yīng)收縮周期的正脈沖期間，小葉偏轉(zhuǎn)，打開閥門，讓水流動(圖2K)。圖 2：腦動脈瘤和心臟主動脈瓣模型的AMULIT打印采用特征直徑和層間距相結(jié)合的方法，分別建立腦血管和心臟瓣膜模型的壁厚。對于不同的打印，特征直徑d可以通過選擇噴嘴平移速度ν和材料沉積速率Q的組合來選擇。為了系統(tǒng)地探索用AMULIT技術(shù)預(yù)測d的效果如何，在不同的ν和Q組合下打印了一系列線性特征，然后測量d(圖3A)。發(fā)現(xiàn)這個預(yù)測與測量的特征直徑非常匹配，沒有可調(diào)的參數(shù)(圖3B)。通過AMULIT 3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)心臟瓣膜模型的高精度打印，且具有足夠的柔韌性和耐用性。為了測試打印硅膠結(jié)構(gòu)的機械性能，使用PlatSil-71 RTV(室溫硫化)(Polytek)硅膠配方制作拉伸樣品。打印結(jié)構(gòu)在60°C下固化4 h，然后使用Instron 5943在加載速率為500 mm/min的情況下進行測試(圖4A-B)。拉伸應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)表明，橫向和縱向打印試樣之間的差異可以忽略不計，彈性模量均為28 kPa(圖4C)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用AMULIT技術(shù)消除破壞性界面驅(qū)動力可以實現(xiàn)精確的硅樹脂打印，而不會降低所制造結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量或機械性能。此外，被制造部件的表面光潔度也被評估：硅膠和AMULIT支撐材料之間的超低界面張力預(yù)計會在打印形狀上產(chǎn)生微粗糙表面。乳液液滴大小在表面粗糙度中的附加作用可能使印刷結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性可以調(diào)節(jié)，同時通過油墨成分或特征直徑獨立控制其機械性能。
小結(jié)
AMULIT 3D打印方法消除了打印油墨與其支撐材料之間界面張力的破壞性影響，可用于從市售PDMS配方中制造精確、光滑、堅固和功能性的器件。AMULIT技術(shù)的多功能性消除了為3D應(yīng)用配制專用PDMS油墨的需要，并為尋求3D打印PDMS設(shè)備的研究人員和工業(yè)制造商拓寬了工具箱，同時改進了以前的硅膠打印方法。盡管油墨和支撐介質(zhì)之間的化學(xué)性質(zhì)相似，但兩種材料之間的混合不會影響印刷質(zhì)量。在短期內(nèi)，考慮到聚合物系統(tǒng)的多樣性和可用性以及制定AMULIT支撐材料的簡單性，預(yù)計AMULIT方法將在3D打印中廣泛應(yīng)用于硅基設(shè)備之外的廣泛應(yīng)用。https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441Senthilkumar Duraivel et al. A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing.Science, 379: 1248-1252DOI：10.1126/science.ade4441
