研究人员使用微流控技术开发基于液滴的3D打印技术

加州大学戴维斯分校(UC Davis)的研究人员发表了一篇论文,详细介绍了由微流体技术进行3D打印的新方法,该方法由化学工程助理教授Jianjian Wan领导。

这项新技术使用基于液滴的多相微流体系统来高效地3D打印微调的柔性材料。它允许用户实时操纵挤出的油墨成分和性能,从而能够制造具有不同成分和性能的各种功能结构。研究人员看到了该技术在软机器人,组织工程和可穿戴技术中的潜在应用。


使用Wan Lab新的基于液滴的3D打印方法打印的材料

使用微流控技术的基于液滴的3D打印

研究人员首先解释说,尽管3D打印技术可能旨在“无缝改变打印结构中的成分和功能特性”。但是,大多数用于基于挤出的打印的油墨在成分上都是静态的,并且动态调整油墨成分的可用方法仍然很少。”

确实,使用传统的基于挤出的3D打印技术,材料被推过喷嘴,然后逐层重复地添加到结构中,直到完成产品为止。尽管这是一种高效且具有成本效益的方法,但它很难打印由多种材料制成的结构,而获得适量的柔软度可能是一个具有挑战性的过程。

因此,Wan的小组寻求为基于挤出的3D打印创建一种方法,该方法允许在打印时使用液滴夹杂物调制挤出的墨水。研究人员注意到,基于挤压的3D打印机中使用的喷嘴类似于该团队一直在研究的玻璃毛细管微流体设备。这些设备相互之间使用多个喷嘴,意识到它可以适用于3D打印并用作打印头:“大多数基于挤出的3D打印机使用非常简单的喷嘴,并且由于我们已经开发了这些玻璃微流体,我们认为, “为什么不将其应用于3D打印呢?””Jianjian Wan解释说。

Wan的团队开发了一种设备,该设备使用多相滴注系统将聚乙二醇二丙烯酸酯水溶液(PEGDA)的液滴封装在一种称为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的硅基有机聚合物中。PDMS围绕滴头流动,产生PEGDA的细小液滴,然后当两种材料在制造时都流到3D打印结构上时,将其均匀地插入PDMS中。

最终结构被描述为看起来像“吃豆人迷宫”,其上有被PDMS围绕的PEGDA小滴点。PEGDA从液滴中扩散出来后,会干扰PDMS的聚合过程,导致材料软化并使结构更柔韧。

Wan的研究小组还证明,基于液滴的3D打印方法可用于生产带有封装的聚合物颗粒和金属液滴的柔性多孔结构。此外,可以通过改变液滴的大小和流速来改变结构的柔韧性。这为研究人员提供了广泛的选择范围,以设计其材料结构并根据目标应用改变灵活性,而这是基于标准喷嘴的方法所难以做到的。

“通过改变液滴(包括水性和液态金属液滴)的空间分布,可以原位调整3D打印构造的机械特性,”论文的作者解释说。


在PDMS中对水滴进行原位分散和3D打印

3D打印中的微流体

微流体学通常是指在尺寸为几十微米的通道中进行流体处理的技术。基于微流控技术的3D打印并不是一个新概念,利用该技术的各种系统和流程都可以使用。确实,在2019年,欧洲研究人员对3D打印微流体应用进行了评论,他们指出:“最终将允许创建越来越智能,反应灵敏和自主化的新一代设备,这些设备能够以复杂的方式感知和作用于环境,减少了人工干预。”

例如,新加坡科技设计大学(SUTD)的Soft Fluidics Lab于2019年8月开发了一种简单的方法来对与流体处理和功能组件集成的3D打印微流体设备进行开发。

此外,在2018年3月,来自纽约基因组中心(NYGC)和纽约大学(NYU)的研究人员创建了一种开源的床头3D打印液滴微流体控制仪器。该设备代表了一种便宜,可使用的方法,用于识别和靶向正确的细胞以治疗类风湿关节炎(RA)等疾病。

本文讨论的研究“使用可编程的液滴夹杂物按需调制3D打印的弹性体”已发表在美国国家科学院院刊(PNAS)中。

 

2020-06-20智邦网

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