研究

研究人员利用微流体开发基于液滴的3D打印技术

研究人员加州大学戴维斯分校(UC DAVIS)已发表一篇关于使用微流体的新方法,由Microfofluics引导,由化学工程助理教授Jiandi Wan领导。

这项新技术使用了基于液滴的多相微流控系统来高效地3D打印精细调谐的柔性材料。它允许用户实时操纵挤出墨水的成分和性能,使具有不同成分和性能的多样化和功能性结构的制造成为可能。研究人员看到了这项技术在软机器人、组织工程和可穿戴技术方面的潜在应用。

用Wan实验室基于液滴的3D打印方法打印的材料。照片通过jiandi wan。
用WAN Lab的基于液滴3D打印方法打印的材料。照片通过jiandi wan。

基于液滴的3D使用微流体打印

研究人员首先解释说,虽然3D打印技术可能旨在“无缝地改变打印结构的组成和功能属性”。然而,大多数用于挤出印刷的油墨成分都是静态的,可用于动态调整油墨成分的方法仍然很少。”

实际上,利用传统的挤出基3D打印技术,材料被推过喷嘴并反复添加到结构上,逐层,直到产品完成。虽然有效且经济高效的过程,但它很难打印由多个材料制成的结构,并且获得适量的柔软度可能是一个具有挑战性的过程。

因此,WAN的集团试图为基于挤出的3D打印创建一种方法,允许使用液滴夹杂物在打印点的挤出墨水的调制。研究人员注意到,基于挤出的3D打印机中使用的喷嘴类似于团队已经学习的玻璃毛细管微流体装置。这些设备在彼此内部使用多个喷嘴,实现它可以适用于3D打印,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,因为我们已经开发了这些玻璃微流体,我们认为,‘why not apply it to 3D printing?’” explains Wan.

WAN的团队开发了一种使用多相滴水系统的装置,将液体聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)溶液的液滴封装在一种称为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的普通硅基有机聚合物的内部。PDMS在滴管周围流动,产生PEGDA的微小液滴,然后将其均匀地插入PDMS中,因为这两种材料都流到3D印刷结构时。

最终结构被描述为看起来像一个“PAC-MAN MAZE”,具有PDMS包围的PEGDA液滴的微小点。在PEGDA延伸出液滴之后,它会干扰PDMS的聚合过程,使材料软化并使结构更加柔韧。

WAN的研究团队还证明了基于液滴的3D印刷方法可用于产生具有包封的聚合物颗粒和金属液滴的柔性多孔构建体。此外,可以通过改变液滴尺寸和流速来修改结构柔韧性。这为研究人员提供了广泛的选择来设计其材料结构并以对基于标准喷嘴的方法难以实现的方式对预期应用的灵活性。

该论文的作者解释说:“通过改变液滴(包括水和液态金属液滴)的空间分布,可以就地调整3d打印结构的机械特性。”

在PDMS中的原位分散和3D印刷。照片通过pnas。
在PDMS中的原位分散和3D印刷。照片通过pnas。

3D印刷中的微流体

微流体一般是指在几十微米的通道中操纵流体的技术。基于微流控技术的3D打印并不是一个新概念,各种系统和工艺都在利用这项技术。事实上,在2019年,欧洲研究人员发表了一篇关于3D打印微流控应用他们的状态将“最终允许建立新一代越来越聪明,响应和自主的设备,能够以复杂的方式和减少人类干预而在他们的环境中感受和行动。”

例如,新加坡理工大学设计(SUTD)软流体实验室开发了一种简单的方法来3D打印微流体设备2019年8月与流体处理和功能组件集成。

此外,2018年3月,研究人员纽约基因组中心(nygc)和纽约大学(纽约)创造了一个开源,床头柜3D打印液滴微流控仪。该装置代表一种廉价,可接近的方法,用于识别和靶向正确的细胞以治疗类风湿性关节炎(RA)等疾病。

本文讨论的研究,“使用可编程液滴夹杂物按需调制3D印刷弹性体,“发表在里面美国国家科学院的诉讼程序(PNAS)。

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特色图片显示了用Wan实验室基于液滴的3D打印方法打印出来的材料。照片通过jiandi wan。