《Adv. Mater. Technol.》：微梯度、微通道、微圖案化多材料混沌3D打印新實踐

來源： EngineeringForLife

自然界中具有微結(jié)構(gòu)的材料比比皆是，分層的多材料結(jié)構(gòu)在同一整體中進行過渡。利用現(xiàn)有技術(shù)制造這些復(fù)雜材料比較困難。近日，來自墨西哥蒙特雷理工學(xué)院的Grissel Trujillo-de Santiago和Mario Moisés Alvarez教授團隊進行了使用即插即用的多材料混沌打印技術(shù)在水凝膠薄膜中產(chǎn)生徑向和軸向微結(jié)構(gòu)圖案的相關(guān)研究。研究成果以“Plug-and-Play Multimaterial Chaotic Printing/Bioprinting to Produce Radial and Axial Micropatterns in Hydrogel Filaments”為題于07月04日發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》上。

本文介紹了一種基于混沌對流的擠出式打印方法-多材料混沌打印，可制造出具有多材料和多層微圖案的微結(jié)構(gòu)水凝膠。內(nèi)部含有Kenics靜態(tài)混合（KSM）器，頂部和側(cè)面入口的打印頭用于生產(chǎn)多凝膠絲。在這種即插即用的系統(tǒng)中，徑向和軸向的微圖案可通過定義噴頭配置和流動程序進行特別設(shè)計。流體動力學(xué)模擬可準(zhǔn)確預(yù)測特定噴頭配置所獲得的微觀結(jié)構(gòu)。該平臺的應(yīng)用可輕松制造具有徑向微梯度的纖維、細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)化乳液、微通道水凝膠絲、預(yù)血管化腫瘤龕模型以及具有軸向和徑向過渡生物活性玻璃隔室的骨骼肌樣組織。未來多材料混沌打印將成為增材制造的重要技術(shù)，應(yīng)用于先進材料的制造過程。

本文從以下4個方面進行具體描述：
1. 徑向梯度的產(chǎn)生

2. 使用側(cè)端口調(diào)節(jié)層數(shù)和層厚

3. 以簡單變化為基礎(chǔ)的多功能性研究

4. 軸向梯度的產(chǎn)生

圖1 多孔Kenics靜態(tài)混合器（KSM）

研究人員設(shè)計了新的生物打印機，便于從同一個KSM噴頭同時擠出四種藻酸鹽油墨。四種油墨通過含有1、2、3或4個混合元件的噴頭共擠。通過這種四流系統(tǒng)，可以根據(jù)模型Sα=α2n-1預(yù)測打印長絲的內(nèi)層數(shù)量。使用計算流體動力學(xué)（CFD）可以方便、準(zhǔn)確地模擬流體依次通過KSM混合元件所產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的形成過程。同樣，通過選擇注入每種油墨的端口位置，可以定制打印絲內(nèi)材料的空間分布。模擬結(jié)果顯示：預(yù)測使用3個KSM器和4個頂部定位進料口的噴頭進行噴印所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)，模擬產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)與所述三種不同進料實驗結(jié)果非常相似。水凝膠絲內(nèi)長度尺度的分布和內(nèi)部分辨率可由元件數(shù)量控制，打印墨水的流變性也與之相關(guān)。在多層混沌打印中，具有相似粘度的流體將產(chǎn)生具有相似橫截面積的條紋（即層厚度）。不同油墨粘度的不匹配會影響最終結(jié)構(gòu)中不同層厚度的分布。還可以通過改變KSM混合元件的數(shù)量，進氣口的數(shù)量和進氣口的位置來預(yù)先設(shè)計打印絲的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計模式、梯度和界面能力使仿生結(jié)構(gòu)或模型的制造在大量生物相關(guān)場景中得以實現(xiàn)。

圖2 帶有頂端和側(cè)面進氣口的KSM噴頭

利用混沌打印技術(shù)可以實現(xiàn)高復(fù)雜度的層狀圖案（在同一根纖維內(nèi)改變層厚，甚至不對稱組合）。研究人員還探索了一組KSM噴頭的使用，這組噴頭配備頂端和側(cè)面端口。帶有側(cè)向入口的混沌打印設(shè)置使我們能夠調(diào)節(jié)每種獨立材料的層數(shù)和層厚度。由側(cè)面進料口注入的材料產(chǎn)生的層數(shù)低于由上部進料口送入的材料產(chǎn)生的層數(shù)。通過頂部進料口擠出的材料層數(shù)仍可通過公式Sα=α2n-1預(yù)測。橫向端口的加入為水凝膠絲的微觀結(jié)構(gòu)增加了更多的材料層。通過特定側(cè)向進料口注入的給定材料所產(chǎn)生的層數(shù)由該進料口的相對位置決定。通過頂部入口注入的材料將通過更多的KSM元件。與從較低入口注入的材料相比，它們也將產(chǎn)生更多和更薄的層。

圖3 兩個、四個、六個和八個頂端進料口以及不同數(shù)量的KSM元件和側(cè)面進料口的其他可能的KSM噴頭配置

在以前與混沌打印相關(guān)的論文中，基本只考慮了圖3A第一行中的配置。當(dāng)考慮橫向進料口時，即使是最基本的設(shè)計（帶有兩個頂部位置進料口的噴頭）也會產(chǎn)生廣泛的多材料結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中加入橫向進料口，可以制造出微結(jié)構(gòu)，其條紋厚度分布的異質(zhì)性比沒有橫向進料口的噴頭要大。4個頂端定位的進料口大大擴展了混沌打印產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的能力。簡而言之，通過頂部進料口注入四種而非兩種不同材料，可自動將微結(jié)構(gòu)的層數(shù)增加一倍，同時噴頭內(nèi)的KSM數(shù)量不變。接著只需在噴頭蓋子上增加更多的入口，就能使我們的系統(tǒng)噴印更多的材料。圖3C,D分別顯示了用6種和8種不同材料制造的纖維橫截面。所有實驗在任何實驗室環(huán)境下都相對容易實現(xiàn)，混沌打印頭可以使用標(biāo)準(zhǔn)立體平版打印機和三維樹脂生產(chǎn)，不同端口的流量控制可以使用傳統(tǒng)注射泵實現(xiàn)。

圖4 利用側(cè)向端口產(chǎn)生軸向梯度

在自然界生命系統(tǒng)中，組織的結(jié)構(gòu)和功能會在同一結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)變。在多端口混沌打印裝置中，可以在擠出過程中激活或關(guān)閉通過側(cè)端口的油墨進給，以動態(tài)改變同一水凝膠絲內(nèi)部的分層模式。因此，在同一根水凝膠絲中產(chǎn)生成分和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是可行的。也使得在軸向具有不同成分的多層結(jié)構(gòu)制造成為可能。此外，構(gòu)造的相關(guān)結(jié)構(gòu)特征（即特定材料層的厚度或其相對于其他層的位置）可以通過CFD模擬預(yù)先確定。在圖4C中，為在水凝膠絲中產(chǎn)生不同軸向圖案而開啟或者關(guān)閉注射口的尾部。在較簡單的情況下，通過CFD模擬可以預(yù)測實驗所獲得的微觀結(jié)構(gòu)。在打印的同時控制軸向成分可以在給定的細(xì)胞系中篩選不同的化學(xué)或機械微環(huán)境。

總結(jié)與展望
本文開發(fā)了基于混沌對流的簡單而經(jīng)濟有效的多材料打印方法，用于制造微結(jié)構(gòu)水凝膠纖維，該纖維在幾十微米尺度上具有多材料多層圖案。使用含有KSM的噴頭以及頂端定位和側(cè)面墨水入口，以高通量速度生產(chǎn)出多種多層藻酸鹽基水凝膠長絲。這種即插即用的打印策略只需定義要使用的KSM數(shù)量、頂端位置的進墨口數(shù)量以及側(cè)向進墨口的數(shù)量和位置，即可實現(xiàn)多材料長絲微結(jié)構(gòu)設(shè)計。CFD模擬可準(zhǔn)確預(yù)測特定噴頭配置所獲得的微觀結(jié)構(gòu)。接著本文還展示了該技術(shù)對材料進行分隔的能力，并生物打印了包含哺乳動物細(xì)胞和生物活性納米顆粒的構(gòu)建體。多孔混沌打印技術(shù)可以方便、經(jīng)濟地制造出具有復(fù)雜、有序的多層圖案水凝膠結(jié)構(gòu)，而這些圖案是其他任何制造技術(shù)都無法輕易制造出來的。未來該技術(shù)可應(yīng)用于多種材料，為許多應(yīng)用帶來巨大價值。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/admt.202202208