加州大學戴維斯分校（UC Davis）的研究人員發(fā)表了一篇論文，詳細介紹了由微流體技術(shù)進行3D打印的新方法，該方法由化學工程助理教授Jianjian Wan領(lǐng)導。

這項新技術(shù)使用基于液滴的多相微流體系統(tǒng)來高效地3D打印微調(diào)的柔性材料。它允許用戶實時操縱擠出的油墨成分和性能，從而能夠制造具有不同成分和性能的各種功能結(jié)構(gòu)。研究人員看到了該技術(shù)在軟機器人，組織工程和可穿戴技術(shù)中的潛在應用。

使用Wan Lab新的基于液滴的3D打印方法打印的材料

使用微流控技術(shù)，基于液滴的3D打印

研究人員首先解釋說，盡管3D打印技術(shù)可能旨在“無縫改變打印結(jié)構(gòu)中的成分和功能特性”。但是，大多數(shù)用于基于擠出的打印的油墨在成分上都是靜態(tài)的，并且動態(tài)調(diào)整油墨成分的可用方法仍然很少。”

確實，使用傳統(tǒng)的基于擠出的3D打印技術(shù)，材料被推過噴嘴，然后逐層重復地添加到結(jié)構(gòu)中，直到完成產(chǎn)品為止。盡管這是一種高效且具有成本效益的方法，但它很難打印由多種材料制成的結(jié)構(gòu)，而獲得適量的柔軟度可能是一個具有挑戰(zhàn)性的過程。

因此，Wan的小組尋求為基于擠出的3D打印創(chuàng)建一種方法，該方法允許在打印時使用液滴夾雜物調(diào)制擠出的墨水。研究人員注意到，基于擠壓的3D打印機中使用的噴嘴類似于該團隊一直在研究的玻璃毛細管微流體設(shè)備。這些設(shè)備相互之間使用多個噴嘴，意識到它可以適用于3D打印并用作打印頭：“大多數(shù)基于擠出的3D打印機使用非常簡單的噴嘴，并且由于我們已經(jīng)開發(fā)了這些玻璃微流體，我們認為， “為什么不將其應用于3D打印呢？””Jianjian Wan解釋說。

Wan的團隊開發(fā)了一種設(shè)備，該設(shè)備使用多相滴注系統(tǒng)將聚乙二醇二丙烯酸酯水溶液（PEGDA）的液滴封裝在一種稱為聚二甲基硅氧烷（PDMS）的硅基有機聚合物中。PDMS圍繞滴頭流動，產(chǎn)生PEGDA的細小液滴，然后當兩種材料在制造時都流到3D打印結(jié)構(gòu)上時，將其均勻地插入PDMS中。

最終結(jié)構(gòu)被描述為看起來像“吃豆人迷宮”，其上有被PDMS圍繞的PEGDA小滴點。PEGDA從液滴中擴散出來后，會干擾PDMS的聚合過程，導致材料軟化并使結(jié)構(gòu)更柔韌。

Wan的研究小組還證明，基于液滴的3D打印方法可用于生產(chǎn)帶有封裝的聚合物顆粒和金屬液滴的柔性多孔結(jié)構(gòu)。此外，可以通過改變液滴的大小和流速來改變結(jié)構(gòu)的柔韌性。這為研究人員提供了廣泛的選擇范圍，以設(shè)計其材料結(jié)構(gòu)并根據(jù)目標應用改變靈活性，而這是基于標準噴嘴的方法所難以做到的。

“通過改變液滴（包括水性和液態(tài)金屬液滴）的空間分布，可以原位調(diào)整3D打印構(gòu)造的機械特性，”論文的作者解釋說。

在PDMS中對水滴進行原位分散和3D打印

3D打印中的微流體

微流體學通常是指在尺寸為幾十微米的通道中進行流體處理的技術(shù)。基于微流控技術(shù)的3D打印并不是一個新概念，利用該技術(shù)的各種系統(tǒng)和流程都可以使用。確實，在2019年，歐洲研究人員對3D打印微流體應用進行了評論，他們指出：“最終將允許創(chuàng)建越來越智能，反應靈敏和自主化的新一代設(shè)備，這些設(shè)備能夠以復雜的方式感知和作用于環(huán)境，減少了人工干預。”

例如，新加坡科技設(shè)計大學（SUTD）的Soft Fluidics Lab開發(fā)了一種簡單的方法來對與流體處理和功能組件集成的3D打印微流體設(shè)備進行開發(fā)。

此外，來自紐約基因組中心（NYGC）和紐約大學（NYU）的研究人員創(chuàng)建了一種開源的床頭3D打印液滴微流體控制儀器。該設(shè)備代表了一種便宜，可使用的方法，用于識別和靶向正確的細胞以治療類風濕關(guān)節(jié)炎（RA）等疾病。

本文討論的研究“使用可編程的液滴夾雜物按需調(diào)制3D打印的彈性體”已發(fā)表在美國國家科學院院刊（PNAS）中。
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