供稿人：张益伟、杨强 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-11-06
超低界面张力增材制造（AMULIT）AMULIT与嵌入式3D打印原理一样，利用材料的剪切力特性，但AMULIT中所使用的支撑材料是一种填充的反向乳液，由硅油连续体中的水滴组成，利用了与有机硅油墨接触时表现出可忽略不计的界面张力的特性，展示出类似于剪切力的效果。最近，一篇名为《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”》的文章研究开发了一种有机硅 3D 打印技术，该技术可产生由几种市售有机硅配方制成的精确、准确、坚固和功能性结构。为了达到这种性能水平，作者开发了一种由硅油乳液制成的支撑材料。这种材料对有机硅油墨的界面张力可以忽略不计，消除了经常导致印刷有机硅特征变形和破裂的破坏性力。
为了配制用于使用PDMS油墨进行3D打印的AMBILIT支持介质，作者制备了以硅油为连续相的反向乳液。对于所有配方，作者发现由硅油中的纯水滴制成的乳液非常浑浊，并且抑制了印刷过程的可视化。为了制造光学透明的乳液，作者通过在液滴中加入甘油来匹配两相的折射率，这使得3D打印过程可以通过摄影在宏观尺度上成像，并在微观尺度上使用共聚焦荧光显微镜（CFM）成像（图1D-G）。为了测试界面张力在嵌入式3D打印中的作用，作者将AMULIT支撑介质的性能与由在水中膨胀的填充水凝胶微粒制成的全水支撑介质进行了比较。结果表明，AMULIT方法可以实现比将PDMS印刷到具有相同材料特性的水性支持介质中时所能实现的特征小300至500倍的特征。
图1 界面张力驱动器在嵌入式3D打印中具有分解功能
如图2A所示，做着通过X射线计算机断层扫描(XRCT)，收集了患者脑动脉瘤的3D血管造影，创建一系列3D打印轨迹。将打印结构在60°C下固化24小时，然后用XRCT成像（图2C）。通过3D扫描的水平和垂直切片显示，高度分支的复杂打印血管网络是空心的，平均壁厚为≈400 μm（图2D）。使用打印结构的CT扫描创建3D模型，以便与原始血管造影进行定量比较。患者衍生模型和打印模型之间的配准非常好；68%的打印表面位置位于其编程位置的500 μm范围内，95%位于1 mm以内（图2E、F）。AMULIT 3D打印方法可用于复制制造的硅胶瓣膜中薄主动脉瓣的复杂半月形。作者根据不同瓣膜组件的生理代表性尺寸（图2G、H ）设计了一个心脏瓣膜模型。作者使用紫外线固化有机硅配方Silopren UV Electro-225-1作为油墨，并将其印刷到AMULIT材料中（图2I）。
图2 脑动脉瘤和主动脉心脏瓣膜模型的AMULIT打印
脑血管系统和心脏瓣膜模型的壁厚是通过使用特征直径和层间距的组合来设置的。对于不同的打印件，可以通过选择喷嘴平移速度ν和材料沉积速率Q的组合来选择特征直径d。为了系统地探索使用AMULIT技术预测d的程度，作者使用Smooth-On Mold Max 10 PDMS公式在ν和Q的不同组合下打印了一系列线性特征，然后测量了d（图3A）。在Q和ν的不同组合下进行许多实验，作者发现该预测与测量的特征直径非常匹配，没有可调参数（图3B）。
图3 控制AMULIT打印特征大小
为了测试层与层粘附力在样品机械完整性中的作用，作者打印了样品，其挤出特征相对于样品几何形状的长轴在纵向和横向方向上定向。将打印结构在60°C下固化4小时，然后使用Instron 5943以500 mm/min的加载速率进行测试（图4A、B）。拉伸应力-应变数据表明，横向和纵向打印试样的差异可以忽略不计，弹性模量相同，均为28 kPa（图4C）。所有打印试样在低应变水平下均表现出线性应力-应变关系，在较高应变下表现出可重复的应力-应变曲线，在应变大于1000%时失效。
图4 AMULIT印刷有机硅结构的材料和表面特性