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来源：科学百晓生收集编辑：LHSRYY
▲第一作者：Senthilkumar Duraivel在3D打印的众多领域中，高质量的有机硅打印是最难获得和最受限制的领域之一。然而，有机硅基组件是许多先进技术和日常消费品的组成部分。有机硅弹性体具有耐热、耐化学剂、耐候、耐臭氧、耐潮湿和耐紫外线等特性，使其成为制造无数产品的关键材料，包括电子设备、汽车、飞机和医疗器械等。1.在这里，本工作开发了一种有机硅3D打印技术，可以生产由几种市售有机硅配方制成的精确、准确、坚固和功能性结构。2.为了达到这一性能水平，本工作开发了一种由硅油乳液制成的支撑材料。这种材料对有机硅油墨表现出可忽略的界面张力，消除了通常驱动印刷硅胶特征变形和破裂的破坏性力量。3.这种方法的多功能性使得利用现有的有机硅配方可以制造直径小于8微米的复杂结构和特征。1、即使稳定条件下，印刷油墨与其支撑介质之间的界面张力驱动印刷结构在固化之前的变形和破碎。使用添加剂对硅油墨进行改性可以稳定3D打印结构，然而使用未改性硅油墨进行增材制造的通用方法仍然难以实现。2、实现无油墨修饰的高质量3D有机硅打印的途径之一是通过使用与其稳定的印刷油墨化学相似的支撑材料来消除界面张力的破坏性作用(图1C)。因此，迫切需要开发与聚二甲基硅氧烷(PDMS)油墨化学相似的支撑材料。3、本工作的研究结果表明，AMULIT 3D打印技术可以用于制造复杂的硅胶结构，用于生物材料设计和手术模拟器，并为扩展其他材料的打印方法提供了可能性。▲图2. AMULIT打印脑动脉瘤和主动脉瓣心脏瓣膜模型1、为了建立模型，本工作使用X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography，XRCT)采集了患者脑动脉瘤的三维血管成像。对3D扫描进行分割处理，生成一系列3D打印轨迹(图2A)。本工作采用Gelest Ex Sil 100有机硅预弹性体，可以配制成具有模拟广泛组织的材料特性。2、打印过程的视频快照显示了平移针如何轻松地流过堵塞的乳液，从而将沉积的硅胶固定在原位(图2B)。打印结构在60℃下固化24 h后进行XRCT成像(图2C)。通过3D扫描的水平和垂直切片发现，高度分支的复杂打印血管网络是中空的，平均壁厚≈400 μm。3、使用打印结构的CT扫描创建3D模型，与原始血管造影进行定量比较。患者衍生模型与打印模型之间的配准效果极佳；68%的印刷面位置位于其编程位置的500 μm内，95%位于1 mm (图2,E和F)内。在代表舒张周期的脉冲的负流期间，阀门保持关闭，在薄的小叶上几乎没有偏转(图2J)，在收缩周期对应的正脉冲期间，小叶偏转。1、采用特征直径和层间距相结合的方法设置脑部血管和心脏瓣膜模型的壁厚。对于不同的打印件，特征直径d可以通过选择喷嘴平移速度ν和材料沉积速率Q的组合来选择。为了系统地探索AMULIT技术如何预测d，本工作使用Smooth-On Mold Max 10 PDMS配方在不同的ν和Q组合下打印了一系列线性特征，然后测量了d。2、根据流体的基本连续性，本工作预测了d，Q和ν之间的关系，即π(d/2)2=Q/ν。在Q和ν的不同组合下进行多次实验，本工作发现这种预测在没有可调参数的情况下与测量的特征直径非常吻合(图3B)。3、这些打印特征随着时间的推移是稳定的；在120分钟的后印过程中，测量特征尺寸的变化被发现是可以忽略的。使用AMULIT打印技术，本工作能够制造出直径小至8 μm的稳定硅胶特征。为了打印这些非常精细的特征，本工作使用直径为1 μm的液滴配制了一种屈服应力增加的AMULIT支撑材料；图1F中的高放大图像表明，较大的液滴将施加与这些小特征直径相当的界面粗糙度。▲图4. AMULIT印刷有机硅结构的材料和表面性能1、本工作已经表明，通过AMULIT技术，使用PDMS进行高度可控的3D打印是可能的，心脏瓣膜模型的功能性表明这些结构在应用中具有足够的柔顺性和耐用性。为了测试层与层之间的粘附对样品机械完整性的作用，本工作打印了它们在纵向和横向上相对于样品几何长轴的挤压特征。打印的结构在60°C下固化4小时，然后使用英斯特朗5943在加载速率为500 mm/min (图4,A和B)下进行测试。2、拉伸应力-应变数据显示，横向打印试样和纵向打印试样的弹性模量相差不大，均为28 kPa (图4C)。所有打印试样在低应变水平下表现出线性应力-应变关系，在高应变水平下表现出可重复的应力-应变曲线，在应变大于1000%时失效。3、将这些结果与模压试样的性能进行对比，本工作发现所有的应力-应变曲线形状相同，但打印结构在较高应变下失效，而模压结构的弹性模量约为打印结构的两倍。这种软化效应可能是由于3D打印过程固有的打印结构中的系统异质性造成的。此外，本工作还进行了疲劳试验，施加105个±10%应变循环，交替拉伸和屈曲试样。随后的拉伸试验表明打印结构比模压结构表现出更小的疲劳；铸造试样的弹性模量下降了18%，打印试样的弹性模量下降了14%。4、在不久的将来，鉴于聚合物体系的多样性和可用性以及AMULIT支撑材料的简单性，本工作设想AMULIT方法在3D打印中具有广泛的应用。https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441