《Adv. Mater. Technol.》：微梯度、微通道,、微圖案化多材料混沌3D打印新實(shí)踐

來(lái)源： EngineeringForLife

自然界中具有微結(jié)構(gòu)的材料比比皆是,，分層的多材料結(jié)構(gòu)在同一整體中進(jìn)行過(guò)渡,。利用現(xiàn)有技術(shù)制造這些復(fù)雜材料比較困難。近日,，來(lái)自墨西哥蒙特雷理工學(xué)院的Grissel Trujillo-de Santiago和Mario Moisés Alvarez教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了使用即插即用的多材料混沌打印技術(shù)在水凝膠薄膜中產(chǎn)生徑向和軸向微結(jié)構(gòu)圖案的相關(guān)研究,。研究成果以“Plug-and-Play Multimaterial Chaotic Printing/Bioprinting to Produce Radial and Axial Micropatterns in Hydrogel Filaments”為題于07月04日發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》上。

本文介紹了一種基于混沌對(duì)流的擠出式打印方法-多材料混沌打印,，可制造出具有多材料和多層微圖案的微結(jié)構(gòu)水凝膠,。內(nèi)部含有Kenics靜態(tài)混合（KSM）器，頂部和側(cè)面入口的打印頭用于生產(chǎn)多凝膠絲,。在這種即插即用的系統(tǒng)中,，徑向和軸向的微圖案可通過(guò)定義噴頭配置和流動(dòng)程序進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。流體動(dòng)力學(xué)模擬可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定噴頭配置所獲得的微觀結(jié)構(gòu),。該平臺(tái)的應(yīng)用可輕松制造具有徑向微梯度的纖維,、細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)化乳液,、微通道水凝膠絲,、預(yù)血管化腫瘤龕模型以及具有軸向和徑向過(guò)渡生物活性玻璃隔室的骨骼肌樣組織。未來(lái)多材料混沌打印將成為增材制造的重要技術(shù),，應(yīng)用于先進(jìn)材料的制造過(guò)程,。

本文從以下4個(gè)方面進(jìn)行具體描述：
1. 徑向梯度的產(chǎn)生

2. 使用側(cè)端口調(diào)節(jié)層數(shù)和層厚

3. 以簡(jiǎn)單變化為基礎(chǔ)的多功能性研究

4. 軸向梯度的產(chǎn)生

圖1 多孔Kenics靜態(tài)混合器（KSM）

研究人員設(shè)計(jì)了新的生物打印機(jī)，便于從同一個(gè)KSM噴頭同時(shí)擠出四種藻酸鹽油墨,。四種油墨通過(guò)含有1,、2、3或4個(gè)混合元件的噴頭共擠,。通過(guò)這種四流系統(tǒng),，可以根據(jù)模型Sα=α2n-1預(yù)測(cè)打印長(zhǎng)絲的內(nèi)層數(shù)量。使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）可以方便,、準(zhǔn)確地模擬流體依次通過(guò)KSM混合元件所產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程,。同樣，通過(guò)選擇注入每種油墨的端口位置,，可以定制打印絲內(nèi)材料的空間分布,。模擬結(jié)果顯示：預(yù)測(cè)使用3個(gè)KSM器和4個(gè)頂部定位進(jìn)料口的噴頭進(jìn)行噴印所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)，模擬產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)與所述三種不同進(jìn)料實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常相似,。水凝膠絲內(nèi)長(zhǎng)度尺度的分布和內(nèi)部分辨率可由元件數(shù)量控制,，打印墨水的流變性也與之相關(guān)。在多層混沌打印中,，具有相似粘度的流體將產(chǎn)生具有相似橫截面積的條紋（即層厚度）,。不同油墨粘度的不匹配會(huì)影響最終結(jié)構(gòu)中不同層厚度的分布。還可以通過(guò)改變KSM混合元件的數(shù)量,，進(jìn)氣口的數(shù)量和進(jìn)氣口的位置來(lái)預(yù)先設(shè)計(jì)打印絲的內(nèi)部微結(jié)構(gòu),。這種設(shè)計(jì)模式,、梯度和界面能力使仿生結(jié)構(gòu)或模型的制造在大量生物相關(guān)場(chǎng)景中得以實(shí)現(xiàn)。

圖2 帶有頂端和側(cè)面進(jìn)氣口的KSM噴頭

利用混沌打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜度的層狀圖案（在同一根纖維內(nèi)改變層厚,，甚至不對(duì)稱組合）,。研究人員還探索了一組KSM噴頭的使用，這組噴頭配備頂端和側(cè)面端口,。帶有側(cè)向入口的混沌打印設(shè)置使我們能夠調(diào)節(jié)每種獨(dú)立材料的層數(shù)和層厚度,。由側(cè)面進(jìn)料口注入的材料產(chǎn)生的層數(shù)低于由上部進(jìn)料口送入的材料產(chǎn)生的層數(shù)。通過(guò)頂部進(jìn)料口擠出的材料層數(shù)仍可通過(guò)公式Sα=α2n-1預(yù)測(cè),。橫向端口的加入為水凝膠絲的微觀結(jié)構(gòu)增加了更多的材料層,。通過(guò)特定側(cè)向進(jìn)料口注入的給定材料所產(chǎn)生的層數(shù)由該進(jìn)料口的相對(duì)位置決定。通過(guò)頂部入口注入的材料將通過(guò)更多的KSM元件,。與從較低入口注入的材料相比,，它們也將產(chǎn)生更多和更薄的層。

圖3 兩個(gè),、四個(gè),、六個(gè)和八個(gè)頂端進(jìn)料口以及不同數(shù)量的KSM元件和側(cè)面進(jìn)料口的其他可能的KSM噴頭配置

在以前與混沌打印相關(guān)的論文中，基本只考慮了圖3A第一行中的配置,。當(dāng)考慮橫向進(jìn)料口時(shí),，即使是最基本的設(shè)計(jì)（帶有兩個(gè)頂部位置進(jìn)料口的噴頭）也會(huì)產(chǎn)生廣泛的多材料結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中加入橫向進(jìn)料口,，可以制造出微結(jié)構(gòu),，其條紋厚度分布的異質(zhì)性比沒(méi)有橫向進(jìn)料口的噴頭要大。4個(gè)頂端定位的進(jìn)料口大大擴(kuò)展了混沌打印產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的能力,。簡(jiǎn)而言之,，通過(guò)頂部進(jìn)料口注入四種而非兩種不同材料，可自動(dòng)將微結(jié)構(gòu)的層數(shù)增加一倍,，同時(shí)噴頭內(nèi)的KSM數(shù)量不變,。接著只需在噴頭蓋子上增加更多的入口，就能使我們的系統(tǒng)噴印更多的材料,。圖3C,D分別顯示了用6種和8種不同材料制造的纖維橫截面,。所有實(shí)驗(yàn)在任何實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下都相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，混沌打印頭可以使用標(biāo)準(zhǔn)立體平版打印機(jī)和三維樹(shù)脂生產(chǎn),，不同端口的流量控制可以使用傳統(tǒng)注射泵實(shí)現(xiàn),。

圖4 利用側(cè)向端口產(chǎn)生軸向梯度

在自然界生命系統(tǒng)中，組織的結(jié)構(gòu)和功能會(huì)在同一結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)變,。在多端口混沌打印裝置中,，可以在擠出過(guò)程中激活或關(guān)閉通過(guò)側(cè)端口的油墨進(jìn)給，以動(dòng)態(tài)改變同一水凝膠絲內(nèi)部的分層模式。因此,，在同一根水凝膠絲中產(chǎn)生成分和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是可行的,。也使得在軸向具有不同成分的多層結(jié)構(gòu)制造成為可能,。此外,，構(gòu)造的相關(guān)結(jié)構(gòu)特征（即特定材料層的厚度或其相對(duì)于其他層的位置）可以通過(guò)CFD模擬預(yù)先確定。在圖4C中,，為在水凝膠絲中產(chǎn)生不同軸向圖案而開(kāi)啟或者關(guān)閉注射口的尾部,。在較簡(jiǎn)單的情況下，通過(guò)CFD模擬可以預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)所獲得的微觀結(jié)構(gòu),。在打印的同時(shí)控制軸向成分可以在給定的細(xì)胞系中篩選不同的化學(xué)或機(jī)械微環(huán)境,。

總結(jié)與展望
本文開(kāi)發(fā)了基于混沌對(duì)流的簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)有效的多材料打印方法，用于制造微結(jié)構(gòu)水凝膠纖維,，該纖維在幾十微米尺度上具有多材料多層圖案,。使用含有KSM的噴頭以及頂端定位和側(cè)面墨水入口，以高通量速度生產(chǎn)出多種多層藻酸鹽基水凝膠長(zhǎng)絲,。這種即插即用的打印策略只需定義要使用的KSM數(shù)量,、頂端位置的進(jìn)墨口數(shù)量以及側(cè)向進(jìn)墨口的數(shù)量和位置，即可實(shí)現(xiàn)多材料長(zhǎng)絲微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。CFD模擬可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定噴頭配置所獲得的微觀結(jié)構(gòu),。接著本文還展示了該技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行分隔的能力，并生物打印了包含哺乳動(dòng)物細(xì)胞和生物活性納米顆粒的構(gòu)建體,。多孔混沌打印技術(shù)可以方便,、經(jīng)濟(jì)地制造出具有復(fù)雜、有序的多層圖案水凝膠結(jié)構(gòu),，而這些圖案是其他任何制造技術(shù)都無(wú)法輕易制造出來(lái)的,。未來(lái)該技術(shù)可應(yīng)用于多種材料，為許多應(yīng)用帶來(lái)巨大價(jià)值,。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1002/admt.202202208