登頂《Science》：浴式硅膠3D打印技術，減小結構破壞

導讀：在3D打印的各個領域中，高質量的硅膠打印一直是使用率較低的，因為打印的難度較大且應用限制比較多。然而，基于有機硅的組件是眾多先進技術和日常消費品不可或缺的組成部分。有機硅彈性體因其耐熱、耐濕和耐化學試劑而被廣泛用于各種應用。然而，由于前體的界面行為，使用有機硅進行三維 (3D) 打印具有挑戰(zhàn)性。

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2023-3-28 20:52 上傳

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2023年3月，南極熊獲悉，佛羅里達大學研究人員開發(fā)了一種有機硅 3D 打印技術，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。為了達到這種性能水平，研究團隊開發(fā)了一由硅油乳液制成種的支撐材料。這種材料對硅基油墨表現(xiàn)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。他們的研究內容已經發(fā)表在了頂刊《Science》上，題目為《A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing》

研究人員通過使用被硅油連續(xù)相包圍的密集乳液作為支持材料，用硅基材料 3D 打印出精確、獨立、高度詳細的物體。這種技術可以精確控制支撐材料和打印流體之間的界面張力。作者證明，他們可以打印小至4微米的特征，以及機械堅固、薄壁、精確的人體脈管系統(tǒng)模型。

具體研究內容
有機硅具有特別有趣的特性，包括生物相容性、耐熱性、耐化學性和耐濕性。但它對3D打印提出了一些挑戰(zhàn)：這是一種柔性材料，一旦熔化就無法重新固化，這與 FDM/FFF 中使用的細絲不同。因此，主要有兩方面的打印問題：
●硅膠通常需要在不可逆硬化之前以液態(tài)打印。
●形狀復雜性如何保證：如何在打印過程中結構不會倒塌？


△界面張力導致特征斷裂

研究人員針對上面兩個問題，設計了浴式打印工藝，其想法是通過用作為支撐材料的硅油，來沉積連續(xù)的材料層。那么，為什么選擇硅膠作為支撐材料？該團隊解釋說：“我們決定通過開發(fā)一種由硅油制成的支撐材料來解決界面張力問題。研究推斷，大多數(shù)有機硅油墨在化學與有機硅支撐材料相似，因此可以顯著降低界面張力，但也有足夠大的差異，可以在組合在一起進行 3D 打印時保持分離。借助 AMULIT 支持介質，能夠以高分辨率打印現(xiàn)成的硅膠，創(chuàng)建直徑小至 8 微米（約 0.0003 英寸）的特征。打印結構與傳統(tǒng)模制結構一樣具有彈性和耐用性。 回想一下，界面張力是破壞兩種不混溶液體之間的表面所需的力。


△研究人員依靠界面張力原理

研究人員的第一個打印的人腦中的血管，這將允許神經外科醫(yī)生在手術前進行訓練，從更逼真的模擬中受益，或者只是為了更好地了解患者的解剖結構。他們將能夠訪問物理模型并觸摸這些定制的血管，這些血管是通過對患者進行 3D 掃描而制成的。



結論
打印油墨和其支持材料之間界面張力會對3D打印結構造成破壞性。研究結果表明，AMULIT技術的多功能性消除了為3D應用配制專門的PDMS油墨的需要，改進了以前的硅膠打印方法。AMULIT的關鍵在于配制與其支持的油墨化學性質相似的支持材料，在這種情況下，PDMS油墨被打印到PDMS油的連續(xù)體中，同樣的原則也可用于水性聚合物。

油墨和支撐介質之間的化學性質相似，到兩種材料之間的混合不會影響打印質量。此外，乳狀液之間的弱的吸引力相互作用可能會使界面的另一側發(fā)生反應。鑒于聚合物系統(tǒng)的多樣性和可用性，以及AMULIT支持材料配方的簡單性，AMULIT方法在3D打印中的應用范圍將超越硅基設備。

展望
硅基元件是許多先進技術和日常消費產品的重要組成部分從生活用品到電子、航空航天和醫(yī)療保健行業(yè)等先進技術。有機硅產品通常是通過將液態(tài)有機硅澆注或注射到模具中，并在凝固后去除鑄件來制造的。制造高精度模具的成本和難度，導致產品只有幾個預定的尺寸，形狀和設計。從模具中去除精密的硅膠結構而不損壞也是一個障礙，在制造高度復雜結構時，會增加制造的缺陷。這項最新研究有望克服這些挑戰(zhàn)，讓先進的硅膠基技術在醫(yī)療衛(wèi)生領域的發(fā)展應用成為可能，例如打印用于治療的個性化植入物，以及為患者定植生理結構模型。