哈佛大學《Nature》：具有亞體素控制的旋轉多材料3D打印方法
時間：2023-01-19 20:12 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：在自然界中，螺旋結構所具有的獨特機械性能帶給了科學家們無數的啟發。
2023年1月18日，來自哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院和威斯生物啟發工程研究所的科研人員們將多材料和旋轉兩種要素結合并應用在了3D打印技術上，創造了一個新型的旋轉多材料3D打印平臺（RM-3DP），實現了3D打印細絲中的亞體素控制。并且利用這一方法制造了高保真度螺旋介電彈性體致動器，為研發功能性人造肌肉帶來了可能性。另外，研究團隊還制造了分層晶格，利用結構化的螺旋支柱在柔性框架中嵌入剛性彈簧，為仿生多功能材料開辟了新途徑。
△RM-3DP平臺結構
據了解，RM-3DP具備兩個特征：
1. 具有方位異質亞體素特征的多材料噴嘴
2. 打印頭配置了多個壓力控制的墨水槽以及噴嘴自由旋轉功能
△亞體素制造
平臺的噴嘴系統利用四通道旋轉裝置實現墨水槽的壓力控制和自由旋轉，通過將加壓空氣從一組固定入口傳輸到一組對應的旋轉出口。而儲墨器和噴嘴則通過一根軸連接到步進電機上，利用步進電機控制系統旋轉部件的旋轉和角速度。最后，將整套噴嘴系統安裝在一個三軸、運動控制平臺上，控制打印噴嘴和基板之間的平移速度和間隙高度，完成了具有亞體素控制的多材料3D打印裝置
。
△實現復雜亞結構打印
RM-3DP的打印方式將熔融沉積與光固化兩種模式結合，結構方面選取了FDM的龍門控制系統，而在打印材料方面則將聚二甲基硅氧烷（PDMS）或其他低聚物與光引發劑以及相應添加劑混合成為粘性“墨水”并通過紫外燈光實現材料固化。
△3D打印旋轉亞結構應用于人造肌肉
通過以上技術，研究團隊能夠在打印細絲內部制造具有垂直或者螺旋形狀的亞結構，將現有的打印細節拓展到了比“體素”更小的細節結構。從而賦予打印細絲更多的結構性功能，例如融合了導電和介電兩種不同性質的細絲結構。在細絲被施加相應電壓之后，整個結構會像人體肌肉一樣進行伸縮。
△施加電壓后人造肌肉伸縮狀態
另外，研究團隊還發現，通過控制螺旋角，能夠在拉伸過程中控制用這種方式打印出的晶格的斷裂位置。這意味著利用這項技術，人們能夠從細節控制程度上創造出原料、形狀相同，但結構屬性不同的新型材料。
△控制晶格斷裂位置
目前，哈佛大學已將這項研究申請了美國專利。另外一個有意思的發現是，本研究的通訊作者Jennifer A. Lewis還在AutoDesk、Azul 3D和Desktop Metal子公司Desktop Health的顧問委員會任職。而JAL最近的一項專利則是關于3D打印的生物墨水和3D打印器官/組織模型或治療構建體的方法。亞體素打印的出現將會為人造血管等仿生組織作出巨大的貢獻，相信隨著更多技術和資金投入，真正可應用的3D打印人體器官出現在醫療領域的那一天應該不遠了吧！
相關文獻：
Larson, N. M., Mueller,
J., Chortos, A. et al. Rotational multimaterial printing of filaments
with subvoxel control. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05490-7
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