Science：高精度有機硅3D打印

一、【導讀】

有機硅彈性體因其耐熱、防潮和耐化學試劑腐蝕而被廣泛應用。在生物醫學領域，有機硅彈性體因其良好的生物相容性而被廣泛應用于人體嵌入式傳感器和生物醫用材料上。由于生物器官在形態上具備復雜的拓撲結構，這就導致應用于生物醫用的有機硅塑料也具備相應復雜的三維結構，而3D打印技術是解決這一問題的高效方法。但這又對3D打印提出了一些挑戰：有機硅塑料是一種柔性材料，一旦熔化就無法重新固化。現階段，有機硅材料的3D打印技術還難以實現復雜結構的高精度打印，因為有機硅與彈性體在液態下與支撐材料之間的高界面張力導致流體的成型過程中的不穩定性，進而導致材料質量上的不足。目前雖有部分報道解決這一難題，但方法過于復雜。

二、【成果掠影】

基于此，美國佛羅里達大學Thomas E. Angelini教授團隊開發了一種由硅油乳液制成種的支撐材料。這種材料對硅基油墨表現出的界面張力可以忽略不計，消除了通常會導致打印的硅樹脂特征變形和斷裂的破壞力。這種制造方法在文中被稱為為超低界面張力的增材制造法（AMULIT），它使得能夠使用成熟的有機硅配方來制造直徑小至~ 8 μm的復雜結構和特征。通過調整這種支撐材料的彈性和流動特性實現了高性能印刷，研究團隊3D打印了高分辨率的患者大腦血管的精確模型，以及功能性心臟瓣膜模型。通過使用幾種不同的市售PDMS配方來打印各種結構，證明了AMULIT技術不需要專門的油墨。在深入的研究后，發現使用AMULIT生產的3D打印結構比模制結構更具可擴展性并且機械性能良好。相關研究成果以題為“A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”發表在知名期刊Science上。

三、【核心創新點】

開發了一種有機硅3D打印技術（AMULIT），該技術可使用多種市售有機硅配方生產出精密、準確、堅固且功能強大的結構。使用這種新技術3D打印了高分辨率的患者大腦血管的精確模型，以及功能性心臟瓣膜模型。

四、【數據概覽】

圖1 界面張力驅動器在嵌入式3D打印中的拆分功能 ? 2023 AAAS

（a）水性支撐材料和有機硅油墨之間的高界面張力會破壞3D打印特征的穩定，導致分解成球形液滴。

（b）有機支撐材料和有機硅油墨之間的中間界面張力提供了一定的穩定性，但限制了最小穩定特征尺寸。

（c）硅油基支撐材料和有機硅油墨之間的超低界面張力消除了界面的不穩定性，消除了對最小穩定特征尺寸的限制。

（d）CFM圖像顯示硅基油墨（綠色）在印刷到由水性微凝膠（紅色）制成的支持材料中時分解成液滴。

（e）從支架上分離出的液滴的數碼分解，從不同角度進行檢查。

（f）硅基油墨（綠色）在印刷到硅基支撐材料（紅色）后，連續保持其形狀。

（g）從不同的角度觀察，印刷的特征表現出粗糙度。

圖2? AMULIT打印的腦動脈瘤和主動脈心臟瓣膜模型 ? 2023 AAAS

（a）用于手術模擬的腦動脈瘤模型，包括復雜、互連、具有復雜細節的空心管。

（b）AMULIT材料打印動脈瘤模型的照片。

（c）打印容器內的3D打印模型的CT成像。

（d）CT掃描切片顯示，打印的結構顯示出患者神經血管系統的中空通道。

（e-f）打印的結構與病人的神經血管的重疊圖。

（g-h）利用原生心臟瓣膜的幾何測量值設計的三尖瓣主動脈心臟瓣膜模型。

（i）在AMULIT支持介質內，以單一的無縫軌跡打印出壁厚為250毫米的硅膠心臟瓣膜模型，并在紫外燈下固化。

（j-k）一旦固化和清洗，該瓣膜模型足夠堅固，可與供水系統連接，模擬心臟周期的經瓣膜流動。

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圖3 AMULIT打印功能尺寸的控制 ? 2023 AAAS

（a）強度反轉圖像（左）以及用高斯函數擬合強度曲線來確定打印線的直徑（右）。

（b）從沒有擬合參數的流體連續性方程中可預測打印硅膠的特征直徑。

圖4? AMULIT印刷硅膠結構的材料和表面特性 ? 2023 AAAS

（a-b）試樣受到單向拉伸應力的作用直至被拉伸至失效。

（c）打印試樣的拉伸應力-應變曲線在低應變下顯示出線性應力-應變關系，并表現出28kPa的彈性模量。

（d-e）打印硅膠心臟瓣膜的表面輪廓顯示出微粗糙度，RMS值為5.5 mm。

五、【成果啟示】

AMULIT 3D打印方法消除了打印油墨與其支撐材料之間界面張力的破壞性影響。結果表明，AMULIT印刷可用于從商用PDMS配方中制造精確、平滑、堅固和功能齊全的結構。AMULIT技術的多功能性消除了為3D應用配制專用PDMS油墨的需要，并為基于PDMS的3D打印的研究人員和工業制造商拓寬了思路，改進了以前的有機硅打印方法，同時改進了以前的有機硅塑料的打印方法。AMULIT策略取決于配制與它們所支持的油墨化學性質相似的支持材料。在這種情況下，PDMS油墨印刷成PDMS油的連續體，盡管相同的原理也可以用于水性聚合物。鑒于聚合物系統的多樣性和可用性以及AMULIT支撐材料的簡單性，研究人員預計AMULIT方法將在3D打印中用于硅基材料以外被廣泛應用。

原文詳情：A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing (Science 2023, 379, 1248-1252)

本文由大兵哥供稿。