佛罗里达大学开发超低界面张力3D打印硅胶新方法，可制作高精度大脑血管模型

2023年3月28日，南极熊获悉，来自佛罗里达大学的一组研究人员正在尝试使用硅胶 3D 打印技术精确复制大脑中的血管。为此，他们开发了一种称为 AMULIT 的工艺，即超低界面张力下的增材制造：这种方法是通过将有机硅直接打印到材料槽中实现部件成形。有机硅充当打印介质，它是由硅油中的微滴水乳液制成。研究人员声称，使用这种方法，他们可以设计出精度可达到四微米的模型，从而非常精确地再现大脑中的血管。

这项研究以题为“基于有机硅的支撑材料消除了 3D 有机硅打印中的界面不稳定性”的论文被发表在《Science》期刊上，由SENTHILKUMAR DURAIVEL、DIMITRI LAURENT等人撰写。

相关论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4441

有机硅材料，也称硅胶，具有特别有趣的特性，包括生物相容性、耐热性、耐化学性和耐湿性。但它对 3D 打印也提出了一些挑战：它是一种柔性材料，一旦熔化就无法再固化，这与FDM/FFF 中使用的细丝不同。因此，硅胶通常在不可逆硬化之前以液态形式完成打印。此外，硅胶3D打印的困难还在于如何保证创建的复杂结构不会倒塌。

△研究人员依靠界面张力原理（图片来源：Brighton Science）

一种创新的硅胶 3D 打印工艺可在大脑中复制血管

为了克服这些挑战，研究人员设计了这种水浴式的打印工艺：其想法是通过用充当支撑材料的硅油包围材料来沉积连续的材料层。为什么选择硅胶作为支撑材料？该团队解释说：“我们决定通过开发一种由硅油制成的支撑材料来解决界面张力问题。我们推断，大多数有机硅墨水在化学上与我们的有机硅支撑材料相似，因此可以显着降低界面张力，但也有足够大的差异，可以在组合在一起进行 3D 打印时保持分离。借助我们的 AMULIT 支撑介质，我们能够以高分辨率打印现成的硅胶，创建直径小至 8 微米（约 0.0003 英寸）的特征。打印结构与传统模制结构一样具有弹性和耐用性。”这里需要解释一下，界面张力是破坏两种不混溶液体之间的表面所需的力。

市场上的大多数支撑材料都是水基的。然而，硅胶树脂是一种油基物，当两种材料接触时会产生变形，因为它们不混溶，需要高界面张力。在水中形成小油滴，会影响 3D 打印结构，这就是团队想出“硅油浴”的原因。该团队补充说：“我们创造了许多候选支撑材料，但发现最好的方法是制作硅油和水的致密乳液。人们可以把它想象成晶莹剔透的蛋黄酱，由硅油连续体中的小尺寸水滴制成。我们将这种方法称为超低界面张力增材制造，或 AMULIT。”

△左侧是材料槽，其中有机硅逐层沉积，如右侧照片所示（图片来源：Senthilkumar Duraivel/Angelini Lab，CC BY-ND）

研究人员的第一个测试涉及人脑中的血管，这将允许神经外科医生在手术前进行训练，从更逼真的模拟中受益，或者只是为了更好地了解患者的解剖结构。他们将能够访问物理模型并触摸这些定制的血管，这些血管是通过对患者进行 3D 扫描而制成的。