三维异质结构的同时多材料嵌入式打印

供稿人：李翏合、高琳
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

3D打印的应用已经扩展到组织工程，通过创建包含特定细胞的定制组织结构来模拟天然组织的结构。对于目前日渐成熟的生物3D打印技术，仅用一种材料在体外构建功能齐全的组织和器官是不现实的。作为当前挑战的解决方案，多材料生物打印技术为体外构建异质结构提供了不同的细胞和生物材料选择。对多材料生物打印而言，打印具有精确材料分布的异质结构，同时保持合理的整体结构完整性一直是一个挑战。

针对以上问题，浙江大学与英国巴斯大学的研究人员提出了一种同时多材料嵌入式打印方法，如图1（a）所示。该方法采用嵌入式悬浮浴打印，使用多个独立控制的倾斜角度喷嘴，将不同的材料沉积到嵌入介质的单个裂缝中，挤出的微丝能够牢固地融合并沉积在精确的空间位置，如图1（b）所示。研究人员基于嵌入式打印原理，通过数学计算和定量表征，发现同时打印方法通过调节打印速度和包埋介质的流变性能更好地控制结构的形态，提高印刷精度。

图1 同时多材料嵌入式打印设备及流程

为了验证提出的同时打印方法，研究人员打印了图2中展示的一系列管状和球形多层结构，包括双层中空直管、双层半球管、双层y形管，以及小肠和肝脏的双层结构。结果表明，当打印层厚小于200μm时，打印精度较高。同时相较于顺序打印方法，同时打印方法制造的两层结构具有良好的粘附性。为了验证打印件的结构完整性，研究人员采用同时打印、顺序打印和铸造三种方法进行制造，采用材料剥离实验来测量不同材料之间的粘结强度。实验结果发现，与传统的顺序打印方法相比，同时打印方法下两种材料间的结合强度增加了一倍，达到7.12 J m−2。

图2 不同形状的同时打印的多层结构

研究人员认为，所提出的打印方法展现了制造具有高精度和良好结构完整性的多材料多层结构的潜力，使其成为制造软生物材料和软复合材料异质结构的一种有前途的技术。此外，由于同时打印方法具有良好的精度和结构保真度，该方法有潜力应用于其他聚合物材料的多材料增材制造应用。

参考文献：
Ziqi G ,Jun Y ,Peng L , et al. Simultaneous multi-material embedded printing for 3D heterogeneous structures[J]. International Journal of Extreme Manufacturing,2023,5(3).