華中科技大學(xué)臧劍鋒教授《自然·通訊》：磁場驅(qū)動(dòng)3D打印，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)原位打��！

來源：高分子科學(xué)前沿

近年來，3D打印的發(fā)展如火如荼，從基于擠出式的熔融沉積和墨水直寫，到基于光投影的光固化，成型方法和機(jī)理紛繁多樣。但現(xiàn)有的3D打印方法對打印的空間具有高度的依賴性，基于路徑移動(dòng)的打印方法需要保持移動(dòng)空間與材料空間的一致性；基于投影式的打印方法由于能量的高耗散性，無法有效穿透物體。

針對上述問題，華中科技大學(xué)臧劍鋒教授團(tuán)隊(duì)與合作者提出，將磁控軟體機(jī)器人的優(yōu)勢應(yīng)用于3D打印，結(jié)合磁場高穿透性與軟材料的大變形特點(diǎn)，由磁場將外部路徑的運(yùn)動(dòng)映射到具有大變形能力的軟體機(jī)器人上。通過非接觸式3D打印，打破空間的限制。磁控軟導(dǎo)管機(jī)器人末端可在體內(nèi)導(dǎo)航定位，由導(dǎo)管機(jī)器人內(nèi)部通道進(jìn)行體外到體內(nèi)的材料遞送，進(jìn)而完成體內(nèi)微創(chuàng)原位打印（入口處2~4 mm,打印面積0~27 cm2）。該工作成功的實(shí)現(xiàn)了磁控3D打印，2021年8月20日，以“Ferromagnetic Soft Catheter Robot for Minimally Invasive Bioprinting”為題發(fā)表于Nature Communications期刊。碩士研究生周成和羊佑舟為論文共同第一作者。

圖1 用于微創(chuàng)生物打印的磁控系統(tǒng)組成

磁軟導(dǎo)管機(jī)器人(FSCR)打印系統(tǒng)主要由軟體機(jī)器人給料系統(tǒng)和磁場定位系統(tǒng)組成。
給料系統(tǒng)由軟導(dǎo)管機(jī)器人構(gòu)成。軟導(dǎo)管機(jī)器人以硅膠彈性體為基質(zhì)，內(nèi)部均勻分散硬磁顆粒，通過脈沖磁場磁化后，軟導(dǎo)管機(jī)器人表現(xiàn)為具有特定磁極方向的磁導(dǎo)管，可在外部磁場下實(shí)現(xiàn)可控移動(dòng)。在導(dǎo)管內(nèi)部嵌有多股PLA細(xì)絲編織的網(wǎng)狀套管，該套管可有效增強(qiáng)軟導(dǎo)管機(jī)器人的徑向剛度，改善由內(nèi)部流體導(dǎo)致的導(dǎo)管徑向形變，降低在給料過程中帶來的材料擠出響應(yīng)的不及時(shí)性。

圖2 用于微創(chuàng)生物打印的磁軟導(dǎo)管機(jī)器人設(shè)計(jì)

磁場定位系統(tǒng)由外部疊加磁場和磁軟導(dǎo)管內(nèi)部磁場耦合而成。外部疊加場由多塊磁極（磁極數(shù)為四）相對的永磁鐵圍成，類似麥克斯韋線圈布置。由于場分布的對稱性，該疊加磁場幾何中心處沿 z 軸具有 B_x=B_y=0。磁導(dǎo)管與 z 軸平行布置，導(dǎo)管末端與疊加磁場幾何中心重合時(shí)，磁軟導(dǎo)管機(jī)器人處于平衡狀態(tài)（初始狀態(tài)）。在疊加磁場的整體移動(dòng)下，磁力矩和磁梯度力作用于場內(nèi)的磁軟導(dǎo)管，產(chǎn)生彎曲。在該特殊場布置下，磁軟導(dǎo)管的自由端會(huì)被限制在幾何中心附近，實(shí)現(xiàn)跟隨運(yùn)動(dòng)。

圖3 磁控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該工作利用磁控打印系統(tǒng)將彈性硅膠和導(dǎo)電銀漿（粘度~340 Pa·s）在平面上打印成各種圖案或功能性器件，如六瓣花、方形螺旋、3D 管、 3D 支架和無線供電模塊。為了展示微創(chuàng)原位生物打印在曲面上的有效性，研究人員通過預(yù)先對目標(biāo)位置掃描建模，并以微創(chuàng)方式成功在麻醉活鼠肝臟表面打印導(dǎo)電水凝膠圖案。

圖3 磁軟導(dǎo)管機(jī)器人體外打印

圖4 磁軟導(dǎo)管機(jī)器人實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)體內(nèi)打印

課題組簡介：
華中科技大學(xué)臧劍鋒教授課題組依托光學(xué)與電子信息學(xué)院、武漢光電國家研究中心，面向醫(yī)療健康重大需求開展多學(xué)科交叉的智能軟材料與器件研究，包括醫(yī)用水凝膠，新型增材制造技術(shù)，微創(chuàng)磁控軟體機(jī)器人，柔性智能傳感。課題組長期招聘博士后，接收電子、光電、機(jī)械、材料、物理、化學(xué)等方向直博、申請考核博士申請，保送研究生。招生專業(yè)：華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)。
教師個(gè)人主頁：
http://faculty.hust.edu.cn/zangjianfeng
論文鏈接：
https://rdcu.be/cvA9K