哈佛大學(xué)《Nature》：具有亞體素控制的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印方法

導(dǎo)讀：在自然界中，螺旋結(jié)構(gòu)所具有的獨(dú)特機(jī)械性能帶給了科學(xué)家們無數(shù)的啟發(fā)。

2023年1月18日，南極熊獲悉，來自哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院和威斯生物啟發(fā)工程研究所的科研人員們將多材料和旋轉(zhuǎn)兩種要素結(jié)合并應(yīng)用在了3D打印技術(shù)上，創(chuàng)造了一個(gè)新型的旋轉(zhuǎn)多材料3D打印平臺（RM-3DP），實(shí)現(xiàn)了3D打印細(xì)絲中的亞體素控制。并且利用這一方法制造了高保真度螺旋介電彈性體致動器，為研發(fā)功能性人造肌肉帶來了可能性。另外，研究團(tuán)隊(duì)還制造了分層晶格，利用結(jié)構(gòu)化的螺旋支柱在柔性框架中嵌入剛性彈簧，為仿生多功能材料開辟了新途徑。

△RM-3DP平臺結(jié)構(gòu)

據(jù)了解，RM-3DP具備兩個(gè)特征：

1. 具有方位異質(zhì)亞體素特征的多材料噴嘴

2. 打印頭配置了多個(gè)壓力控制的墨水槽以及噴嘴自由旋轉(zhuǎn)功能

△亞體素制造

平臺的噴嘴系統(tǒng)利用四通道旋轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)墨水槽的壓力控制和自由旋轉(zhuǎn)，通過將加壓空氣從一組固定入口傳輸?shù)揭唤M對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)出口。而儲墨器和噴嘴則通過一根軸連接到步進(jìn)電機(jī)上，利用步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)和角速度。最后，將整套噴嘴系統(tǒng)安裝在一個(gè)三軸、運(yùn)動控制平臺上，控制打印噴嘴和基板之間的平移速度和間隙高度，完成了具有亞體素控制的多材料3D打印裝置 。

△實(shí)現(xiàn)復(fù)雜亞結(jié)構(gòu)打印

RM-3DP的打印方式將熔融沉積與光固化兩種模式結(jié)合，結(jié)構(gòu)方面選取了FDM的龍門控制系統(tǒng)，而在打印材料方面則將聚二甲基硅氧烷（PDMS）或其他低聚物與光引發(fā)劑以及相應(yīng)添加劑混合成為粘性“墨水”并通過紫外燈光實(shí)現(xiàn)材料固化。

△3D打印旋轉(zhuǎn)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)用于人造肌肉

通過以上技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)能夠在打印細(xì)絲內(nèi)部制造具有垂直或者螺旋形狀的亞結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)有的打印細(xì)節(jié)拓展到了比“體素”更小的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。從而賦予打印細(xì)絲更多的結(jié)構(gòu)性功能，例如融合了導(dǎo)電和介電兩種不同性質(zhì)的細(xì)絲結(jié)構(gòu)。在細(xì)絲被施加相應(yīng)電壓之后，整個(gè)結(jié)構(gòu)會像人體肌肉一樣進(jìn)行伸縮。

△施加電壓后人造肌肉伸縮狀態(tài)

另外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，通過控制螺旋角，能夠在拉伸過程中控制用這種方式打印出的晶格的斷裂位置。這意味著利用這項(xiàng)技術(shù)，人們能夠從細(xì)節(jié)控制程度上創(chuàng)造出原料、形狀相同，但結(jié)構(gòu)屬性不同的新型材料。

△控制晶格斷裂位置

目前，哈佛大學(xué)已將這項(xiàng)研究申請了美國專利。另外一個(gè)有意思的發(fā)現(xiàn)是，本研究的通訊作者Jennifer A. Lewis還在Autodesk、Azul 3D和Desktop Metal子公司Desktop Health的顧問委員會任職。而JAL最近的一項(xiàng)專利則是關(guān)于3D打印的生物墨水和3D打印器官/組織模型或治療構(gòu)建體的方法。亞體素打印的出現(xiàn)將會為人造血管等仿生組織作出巨大的貢獻(xiàn)，相信隨著更多技術(shù)和資金投入，真正可應(yīng)用的3D打印人體器官出現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域的那一天應(yīng)該不遠(yuǎn)了吧！

相關(guān)文獻(xiàn)：

Larson, N. M., Mueller, J., Chortos, A. et al. Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05490-7

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