佛羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)超低界面張力3D打印硅膠新方法，可制作高精度大腦血管模型

2023年3月28日，南極熊獲悉，來自佛羅里達(dá)大學(xué)的一組研究人員正在嘗試使用硅膠 3D 打印技術(shù)精確復(fù)制大腦中的血管。為此，他們開發(fā)了一種稱為 AMULIT 的工藝，即超低界面張力下的增材制造：這種方法是通過將有機(jī)硅直接打印到材料槽中實現(xiàn)部件成形。有機(jī)硅充當(dāng)打印介質(zhì)，它是由硅油中的微滴水乳液制成。研究人員聲稱，使用這種方法，他們可以設(shè)計出精度可達(dá)到四微米的模型，從而非常精確地再現(xiàn)大腦中的血管。

這項研究以題為“基于有機(jī)硅的支撐材料消除了 3D 有機(jī)硅打印中的界面不穩(wěn)定性”的論文被發(fā)表在《Science》期刊上，由SENTHILKUMAR DURAIVEL、DIMITRI LAURENT等人撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441

有機(jī)硅材料，也稱硅膠，具有特別有趣的特性，包括生物相容性、耐熱性、耐化學(xué)性和耐濕性。但它對 3D 打印也提出了一些挑戰(zhàn)：它是一種柔性材料，一旦熔化就無法再固化，這與FDM/FFF 中使用的細(xì)絲不同。因此，硅膠通常在不可逆硬化之前以液態(tài)形式完成打印。此外，硅膠3D打印的困難還在于如何保證創(chuàng)建的復(fù)雜結(jié)構(gòu)不會倒塌。

△研究人員依靠界面張力原理（圖片來源：Brighton Science）

一種創(chuàng)新的硅膠 3D 打印工藝可在大腦中復(fù)制血管

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員設(shè)計了這種水浴式的打印工藝：其想法是通過用充當(dāng)支撐材料的硅油包圍材料來沉積連續(xù)的材料層。為什么選擇硅膠作為支撐材料？該團(tuán)隊解釋說：“我們決定通過開發(fā)一種由硅油制成的支撐材料來解決界面張力問題。我們推斷，大多數(shù)有機(jī)硅墨水在化學(xué)上與我們的有機(jī)硅支撐材料相似，因此可以顯著降低界面張力，但也有足夠大的差異，可以在組合在一起進(jìn)行 3D 打印時保持分離。借助我們的 AMULIT 支撐介質(zhì)，我們能夠以高分辨率打印現(xiàn)成的硅膠，創(chuàng)建直徑小至 8 微米（約 0.0003 英寸）的特征。打印結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)模制結(jié)構(gòu)一樣具有彈性和耐用性�！边@里需要解釋一下，界面張力是破壞兩種不混溶液體之間的表面所需的力。

市場上的大多數(shù)支撐材料都是水基的。然而，硅膠樹脂是一種油基物，當(dāng)兩種材料接觸時會產(chǎn)生變形，因為它們不混溶，需要高界面張力。在水中形成小油滴，會影響 3D 打印結(jié)構(gòu)，這就是團(tuán)隊想出“硅油浴”的原因。該團(tuán)隊補(bǔ)充說：“我們創(chuàng)造了許多候選支撐材料，但發(fā)現(xiàn)最好的方法是制作硅油和水的致密乳液。人們可以把它想象成晶瑩剔透的蛋黃醬，由硅油連續(xù)體中的小尺寸水滴制成。我們將這種方法稱為超低界面張力增材制造，或 AMULIT�！�

△左側(cè)是材料槽，其中有機(jī)硅逐層沉積，如右側(cè)照片所示（圖片來源：Senthilkumar Duraivel/Angelini Lab，CC BY-ND）

研究人員的第一個測試涉及人腦中的血管，這將允許神經(jīng)外科醫(yī)生在手術(shù)前進(jìn)行訓(xùn)練，從更逼真的模擬中受益，或者只是為了更好地了解患者的解剖結(jié)構(gòu)。他們將能夠訪問物理模型并觸摸這些定制的血管，這些血管是通過對患者進(jìn)行 3D 掃描而制成的。