登頂《Science》：浴式硅膠3D打印技術(shù)，減小結(jié)構(gòu)破壞

導(dǎo)讀：在3D打印的各個(gè)領(lǐng)域中，高質(zhì)量的硅膠打印一直是使用率較低的，因?yàn)榇蛴〉碾y度較大且應(yīng)用限制比較多。然而，基于有機(jī)硅的組件是眾多先進(jìn)技術(shù)和日常消費(fèi)品不可或缺的組成部分。有機(jī)硅彈性體因其耐熱、耐濕和耐化學(xué)試劑而被廣泛用于各種應(yīng)用。然而，由于前體的界面行為，使用有機(jī)硅進(jìn)行三維 (3D) 打印具有挑戰(zhàn)性。

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2023-3-28 20:52 上傳

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2023年3月，南極熊獲悉，佛羅里達(dá)大學(xué)研究人員開發(fā)了一種有機(jī)硅 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)可使用多種市售有機(jī)硅配方生產(chǎn)出精密、準(zhǔn)確、堅(jiān)固且功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)。為了達(dá)到這種性能水平，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一由硅油乳液制成種的支撐材料。這種材料對(duì)硅基油墨表現(xiàn)出的界面張力可以忽略不計(jì)，消除了通常會(huì)導(dǎo)致打印的硅樹脂特征變形和斷裂的破壞力。他們的研究?jī)?nèi)容已經(jīng)發(fā)表在了頂刊《Science》上，題目為《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing》

研究人員通過(guò)使用被硅油連續(xù)相包圍的密集乳液作為支持材料，用硅基材料 3D 打印出精確、獨(dú)立、高度詳細(xì)的物體。這種技術(shù)可以精確控制支撐材料和打印流體之間的界面張力。作者證明，他們可以打印小至4微米的特征，以及機(jī)械堅(jiān)固、薄壁、精確的人體脈管系統(tǒng)模型。

具體研究?jī)?nèi)容
有機(jī)硅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(duì)3D打印提出了一些挑戰(zhàn)：這是一種柔性材料，一旦熔化就無(wú)法重新固化，這與 FDM/FFF 中使用的細(xì)絲不同。因此，主要有兩方面的打印問(wèn)題：
●硅膠通常需要在不可逆硬化之前以液態(tài)打印。
●形狀復(fù)雜性如何保證：如何在打印過(guò)程中結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌？


△界面張力導(dǎo)致特征斷裂

研究人員針對(duì)上面兩個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了浴式打印工藝，其想法是通過(guò)用作為支撐材料的硅油，來(lái)沉積連續(xù)的材料層。那么，為什么選擇硅膠作為支撐材料？該團(tuán)隊(duì)解釋說(shuō)：“我們決定通過(guò)開發(fā)一種由硅油制成的支撐材料來(lái)解決界面張力問(wèn)題。研究推斷，大多數(shù)有機(jī)硅油墨在化學(xué)與有機(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(shí)保持分離。借助 AMULIT 支持介質(zhì)，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。 回想一下，界面張力是破壞兩種不混溶液體之間的表面所需的力。


△研究人員依靠界面張力原理

研究人員的第一個(gè)打印的人腦中的血管，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(wèn)物理模型并觸摸這些定制的血管，這些血管是通過(guò)對(duì)患者進(jìn)行 3D 掃描而制成的。



結(jié)論
打印油墨和其支持材料之間界面張力會(huì)對(duì)3D打印結(jié)構(gòu)造成破壞性。研究結(jié)果表明，AMULIT技術(shù)的多功能性消除了為3D應(yīng)用配制專門的PDMS油墨的需要，改進(jìn)了以前的硅膠打印方法。AMULIT的關(guān)鍵在于配制與其支持的油墨化學(xué)性質(zhì)相似的支持材料，在這種情況下，PDMS油墨被打印到PDMS油的連續(xù)體中，同樣的原則也可用于水性聚合物。

油墨和支撐介質(zhì)之間的化學(xué)性質(zhì)相似，到兩種材料之間的混合不會(huì)影響打印質(zhì)量。此外，乳狀液之間的弱的吸引力相互作用可能會(huì)使界面的另一側(cè)發(fā)生反應(yīng)。鑒于聚合物系統(tǒng)的多樣性和可用性，以及AMULIT支持材料配方的簡(jiǎn)單性，AMULIT方法在3D打印中的應(yīng)用范圍將超越硅基設(shè)備。

展望
硅基元件是許多先進(jìn)技術(shù)和日常消費(fèi)產(chǎn)品的重要組成部分從生活用品到電子、航空航天和醫(yī)療保健行業(yè)等先進(jìn)技術(shù)。有機(jī)硅產(chǎn)品通常是通過(guò)將液態(tài)有機(jī)硅澆注或注射到模具中，并在凝固后去除鑄件來(lái)制造的。制造高精度模具的成本和難度，導(dǎo)致產(chǎn)品只有幾個(gè)預(yù)定的尺寸，形狀和設(shè)計(jì)。從模具中去除精密的硅膠結(jié)構(gòu)而不損壞也是一個(gè)障礙，在制造高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)增加制造的缺陷。這項(xiàng)最新研究有望克服這些挑戰(zhàn)，讓先進(jìn)的硅膠基技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用成為可能，例如打印用于治療的個(gè)性化植入物，以及為患者定植生理結(jié)構(gòu)模型。