Science：高精度有机硅3D打印

一、【导读】

有机硅弹性体因其耐热、防潮和耐化学试剂腐蚀而被广泛应用。在生物医学领域，有机硅弹性体因其良好的生物相容性而被广泛应用于人体嵌入式传感器和生物医用材料上。由于生物器官在形态上具备复杂的拓扑结构，这就导致应用于生物医用的有机硅塑料也具备相应复杂的三维结构，而3D打印技术是解决这一问题的高效方法。但这又对3D打印提出了一些挑战：有机硅塑料是一种柔性材料，一旦熔化就无法重新固化。现阶段，有机硅材料的3D打印技术还难以实现复杂结构的高精度打印，因为有机硅与弹性体在液态下与支撑材料之间的高界面张力导致流体的成型过程中的不稳定性，进而导致材料质量上的不足。目前虽有部分报道解决这一难题，但方法过于复杂。

二、【成果掠影】

基于此，美国佛罗里达大学Thomas E. Angelini教授团队开发了一种由硅油乳液制成种的支撑材料。这种材料对硅基油墨表现出的界面张力可以忽略不计，消除了通常会导致打印的硅树脂特征变形和断裂的破坏力。这种制造方法在文中被称为为超低界面张力的增材制造法（AMULIT），它使得能够使用成熟的有机硅配方来制造直径小至~ 8 μm的复杂结构和特征。通过调整这种支撑材料的弹性和流动特性实现了高性能印刷，研究团队3D打印了高分辨率的患者大脑血管的精确模型，以及功能性心脏瓣膜模型。通过使用几种不同的市售PDMS配方来打印各种结构，证明了AMULIT技术不需要专门的油墨。在深入的研究后，发现使用AMULIT生产的3D打印结构比模制结构更具可扩展性并且机械性能良好。相关研究成果以题为“A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing”发表在知名期刊Science上。

三、【核心创新点】

开发了一种有机硅3D打印技术（AMULIT），该技术可使用多种市售有机硅配方生产出精密、准确、坚固且功能强大的结构。使用这种新技术3D打印了高分辨率的患者大脑血管的精确模型，以及功能性心脏瓣膜模型。

四、【数据概览】

图1界面张力驱动器在嵌入式3D打印中的拆分功能© 2023 AAAS

（a）水性支撑材料和有机硅油墨之间的高界面张力会破坏3D打印特征的稳定，导致分解成球形液滴。

（b）有机支撑材料和有机硅油墨之间的中间界面张力提供了一定的稳定性，但限制了最小稳定特征尺寸。

（c）硅油基支撑材料和有机硅油墨之间的超低界面张力消除了界面的不稳定性，消除了对最小稳定特征尺寸的限制。

（d）CFM图像显示硅基油墨（绿色）在印刷到由水性微凝胶（红色）制成的支持材料中时分解成液滴。

（e）从支架上分离出的液滴的数码分解，从不同角度进行检查。

（f）硅基油墨（绿色）在印刷到硅基支撑材料（红色）后，连续保持其形状。

（g）从不同的角度观察，印刷的特征表现出粗糙度。

图2 AMULIT打印的脑动脉瘤和主动脉心脏瓣膜模型© 2023 AAAS

（a）用于手术模拟的脑动脉瘤模型，包括复杂、互连、具有复杂细节的空心管。

（b）AMULIT材料打印动脉瘤模型的照片。

（c）打印容器内的3D打印模型的CT成像。

（d）CT扫描切片显示，打印的结构显示出患者神经血管系统的中空通道。

（e-f）打印的结构与病人的神经血管的重叠图。

（g-h）利用原生心脏瓣膜的几何测量值设计的三尖瓣主动脉心脏瓣膜模型。

（i）在AMULIT支持介质内，以单一的无缝轨迹打印出壁厚为250毫米的硅胶心脏瓣膜模型，并在紫外灯下固化。

（j-k）一旦固化和清洗，该瓣膜模型足够坚固，可与供水系统连接，模拟心脏周期的经瓣膜流动。

图3 AMULIT打印功能尺寸的控制© 2023 AAAS

（a）强度反转图像（左）以及用高斯函数拟合强度曲线来确定打印线的直径（右）。

（b）从没有拟合参数的流体连续性方程中可预测打印硅胶的特征直径。

图4 AMULIT印刷硅胶结构的材料和表面特性© 2023 AAAS

（a-b）试样受到单向拉伸应力的作用直至被拉伸至失效。

（c）打印试样的拉伸应力-应变曲线在低应变下显示出线性应力-应变关系，并表现出28kPa的弹性模量。

（d-e）打印硅胶心脏瓣膜的表面轮廓显示出微粗糙度，RMS值为5.5 mm。

五、【成果启示】

AMULIT 3D打印方法消除了打印油墨与其支撑材料之间界面张力的破坏性影响。结果表明，AMULIT印刷可用于从商用PDMS配方中制造精确、平滑、坚固和功能齐全的结构。AMULIT技术的多功能性消除了为3D应用配制专用PDMS油墨的需要，并为基于PDMS的3D打印的研究人员和工业制造商拓宽了思路，改进了以前的有机硅打印方法，同时改进了以前的有机硅塑料的打印方法。AMULIT策略取决于配制与它们所支持的油墨化学性质相似的支持材料。在这种情况下，PDMS油墨印刷成PDMS油的连续体，尽管相同的原理也可以用于水性聚合物。鉴于聚合物系统的多样性和可用性以及AMULIT支撑材料的简单性，研究人员预计AMULIT方法将在3D打印中用于硅基材料以外被广泛应用。

原文详情：A silicone-based support material eliminates interfacial instabilities in 3D silicone printing(Science2023,379, 1248-1252)

本文由大兵哥供稿。