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    电纺结合3D打印:从想象到现实

    3D打印技术兴起,电纺行业的研究者早已在把眼光投到何将静电纺丝结合3D打印展?这是值得科研工作者们思考的题。

    /小柒

    些年,新闻、报纸上经常会看到一些关于3D打印的新闻:医院用3D打印定制出适合病人尺寸的器官模型;某创作团队制造出薄如纸片的LED;美国通用电气公司曾提出,50年内3D打印技术将能够成功打印出一台航空发动机这一激动人心的宣言。3D打印技术也早已被认为是第三次工业革命的核心技术之一,它的迅猛发展让所有科研工作者感到振奋。

    3D打印属于快速原型制造技术的一种,是一种以数字模型文件为基础,运用工程塑料或金属粉末等可黏合特性,通过逐层打印的方式来构造物体的快速成形技术。该技术能够简化产品制造程序,缩短产品研制周期,提高效率并降低成本可广泛应用于医疗、文化、国防、航天、汽车及金属制造等产业,被认为是近20年来制造领域的一个重大技术成果。根据打印

    技术原理以及所适用材料的不同,3D打印技术可分为激光熔覆成型技术(LCF)、熔融沉积快速成型技术(FDM)、选择性激光烧结技术(SLS)、立体光固化技术(SLA)、三维印刷成型(3DP)等。而这些传统的3D打印技术其能够打印的线材尺度目前只能到毫米级,所打印的成果产品表面有的还较粗糙,达不到最理想的效果,另外有的生物产品经过3D打印的高温烧结或熔融沉积会导致生物活性降低,限制了其应用,因此研究者开始把眼光投到更深层次的应用和技术上。于是我们熟悉的静电纺丝技术开始慢慢进入人们的想象。

    在静电纺丝这个行业,当3D打印越来越受到人们重视,研究者开始思考如何将同样受到重视的静电纺丝与3D打印结合集成为一体,从而改变3D打印在尺寸上的缺陷,同样也使静电纺丝从单纯的膜、线、带这种二维结构扩大到三维结构,由此3D 打印结合静电纺丝慢慢开始从研究者的想象中走出来,进入现实,一些技术开始得到应用。

    3D生物打印技术是当前3D打印技术中最前沿、最受关注的领域之一。由于3D打印具有个性化特点,可广泛应用于生物医学,具体包括细胞打印,组织工程支架和植入物,牙科等。

    虽然生物3D打印技术在制造生物可降解的三维结构方面,有着其他传统工艺不可比拟的优势,但是目前几种较成熟的3D打印工艺,如激光选择性烧结工艺、激光光固化工艺和三维打印中往往借助了高温烧结,喷洒黏结剂等辅助成形手段,会导致材料生物活性遭到破坏,这在很大程度上限制了这些方法在组织工程,生物医药等领域的应用。为此,基于3D打印原理的生物增量挤出成形技术,电纺丝技术先后被提出,并受到国内外学者的广泛关注。

    3D打印软骨

    澳大利亚昆士兰科技大学Dietmar W. Hutmacher教授团队在20154月的《Nature Communications》上发表了《Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres》一文,文献中详细介绍了如何利用生物相容性材料更为有效地修复人体组织,尤其是关节软骨。由于软骨既要有一定的机械强度又有柔韧性,因此研究人员测试一种新的水凝胶和超细纤维支架合成材料,来可以改变此现状。在2011年《Advanced Materials》上其第一次公开制备该技术。

    研究人员们使用了一种新的3D打印技术——熔体静电纺丝写入(melt electrospinning writing),这是一种使带电荷的聚合物熔体在静电场中形成射流来制备聚合物超细纤维的加工方法,该方法有助于提供用于细胞生长的空间,同时对细胞所需的机械刚性也有一定的帮助。最终打印出的结构不仅能够实现自然愈合,而且对促进新组织的生长有帮助。这项革命性的基于静电纺丝原理的3D打印技术,为生物医学研究人员打开了大门。

    3D打印可吸收血管支架

    近日,《physical chemistry chemical physics》(Phys.Chem.Chem.Phys.,2015, 17, 2996)发表了韩国机械和材料研究院Su A. Park教授《Characterization and preparation of bio-tubular scaffolds for fabricating artificial vascular grafts by combining electrospinning and a 3D printing system》一文,文献中提到用天然高分子纳米纤维组成的人造血管移植到人体中以促进受损血管的恢复。然而,静电纺丝纳米纤维的生物相容性材料如壳聚糖都缺乏良好的机械性能。因此研究者的设计和制造分为两步,第一步采用静电纺丝技术制备壳聚糖和PCL共混纳米纤维支架,然后使用3D快速成型技术涂布PCL链,最终制备出人造血管。该所得的人造血管表现出优良的机械性能并且表明该方法可以用于血管重建。

    上海大学快速制造工程中心在生物3D打印方面也有突破性进展。上海大学刘媛媛在20156月《Journal of Southeast University》发表题为《Composite bioabsorbable vascular stents via 3D bio-printing and electrospinning for treating stenotic vessels》一文,文中设计了一种新型血管支架用于血管狭窄治疗。针对目前制备生物可吸收血管支架在装备和技术上的不足,提出了结合生物 3D打印和静电纺丝制备复合生物可吸收血管支架的新方法。首先,用PPDO材料通过3D打印制备支架内层;然后配制壳聚糖和PVA混合溶液,通过静电纺丝制备支架外层,力学性能测试显示结合3D打印和静电纺丝制备的支架要好于仅采用普通支架。在支架上种植细胞试验表明,细胞在支架上有良好的粘附和增殖,所提出的复合成形工艺和方法,为后续构建可控载药支架提供了很好的思路。

    3D打印服装

    目前用3D打印技术打印的衣服质感较硬,无法做贴身的衣物。传统的静电纺丝,一般使用高压电源,泰勒锥与接收平台之间的距离比较大,纺丝之后成为一团,难以控制其有序堆叠。据了解,来自美国旧金山的团队将成型平台制作成衣架的形状,推出了全球第一个3D电动织布机Electroloom,利用他们的电纺原理自制机器,就可以实现自动生产聚酯纤维混棉的衣物。这台3D打印机的原理就是类似于静电纺丝,目前正在kickstarter上众筹,已经筹到8.5万美金。它的工作原理如下:

    这套打印工序,由使用CAD软件设计的模板开始,将设计好的模板放入打印仓之后,混合的织物液态溶液就在里面电磁场的引导下,按照模板“浇铸”成型,这一过程称为“静电纺丝”。然后,打印机将混合在一起的纳米纤维均匀地涂织成型,凝结成一种无缝的面料。到目前,编者认为静电纺丝在3D打印柔性纤维材质衣服方面大有可为,通过改进静电纺丝装置,例如使用多个纺丝喷头,配置多种溶液同时纺丝,使用低压将纺丝喷头与成型平台之间的距离缩小,控制成型平台的精确运动,成型平台上增加阵列电路等方式,实现制作贴身穿的柔性衣物将指日可待。

    从现有的这些3D打印结合静电纺丝的例子可以看出,当然要把这样的场景变为现实我们还有很长的路要走。但是,就目前而言,科学家们的研发速度堪称迅猛。静电纺丝3D打印机的问世指日可待,理想和现实看起来遥远,其实早已在每个科研人员的脚下。一起期待吧!

    3D打印概念广,电纺已经在组织工程支架,储能,等领域发挥了其巨大的作用,但在各种形状的还是需要快速成型技术,所以3D打印技术的加入无疑会丰富电纺的应用空间,而反过来,如今的3D打印技术在尺寸细化问题上还不能得到很大突破,仅止于毫米尺度,电纺起码能解决了线材的尺寸问题。

    编者查询了国内有关静电纺丝结合3D打印的专利,西安交通大学、上海大学和北京化工大学在这项技术上有如下几篇相关专利,据这些专利介绍,将静电纺丝技术和3D打印的成型控制技术结合到一起,可以有序的打印纤维等材质,精确可控,可多物料混合叠加,实现了三维立体模型可控式快速成型,而且可以使用的材料种类众多。在这里附上这些专利的简要,供大家思考。

    附:目前国内涉及静电纺丝结合3D打印的专利

    1.一种基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法,西安交通大学,贺健康

    公开号:CN103612391A

    摘要:本发明公开了一种基于近场静电纺丝的微纳结构的3D打印方法,该方法将3D打印技术的分层制造原理与近场静电纺丝微小液滴或微纳纤维丝成形控制技术相结合,首先利用计算机设计零件模型,并对模型的轮廓数据和填充数据处理得到喷头与接收平台的相对运动数据;然后通过控制电压、接收距离、流速、温度、湿度等因素将材料液体制备成微纳液体流或微微纳纤维丝;并通过碰头与接收平台的相对移动实现微纳液体流或微纳纤维丝的有序堆积;通过分层制造,层层堆积进而实现了微纳米结构的成形制造;该发明可以实现微纳结构的多材料、低成本快速制造。

    2.一种可用于3D打印的静电纺丝装置 ,北京化工大学,杨卫民,

    公开号:CN104099675A

    本发明公开了一种可用于3D打印的静电纺丝装置,主要包括球形高压电极、接收板、绝缘连接件、固定支架、机头、机头加热圈、微型螺杆、联轴器、步进电机、隔热垫片、堵头、纺丝喷头、纺丝喷头加热圈、接地电极、球形接地电极、工件和高压静电发生器等,工作时微型螺杆旋转,把熔体或者溶液输送到纺丝喷头处;纺丝喷头通过螺纹连接在机头上,球形接地电极半包裹在纺丝喷头下端,熔体或者溶液通过纺丝喷头下端的周向分布的豁口均匀地通过球形接地电极表面流到其下端。本发明中高压电极和接地电极同时采用球形电极的方式,避免了普通纺丝设备中针头或者小孔易堵的缺陷,并且和尖端电极相比,减轻了尖端放电,使得其在同等距离下,可以有更强的电压强度。

    1. 一种京剧脸谱3D打印成型的方法,北京化工大学, 阎华

    公开号:CN103624985A

    本发明公开一种京剧脸谱3D打印成型的方法,通过3D扫描仪对戏曲演员脸部进行扫描获取脸部特征点信息以建立对应的人脸三维立体模型,专业3D数据处理软件将该立体模型分解成若干层平面数据,再把粉末状金属或塑料等可黏合材料经3D打印机按平面数据烧结,层层累积后即打印出立体人脸模具;获得人脸模具后,在模具上均匀涂抹一层导电石墨并施加50kv的电压,利用静电纺丝装置制作一无纺布透明膜,再利用静电纺丝装置在透明膜上喷涂成脸谱状,使用时将喷涂好的京剧脸谱透明膜覆盖在面部,形成薄膜脸谱。该方法使京剧脸谱快速成型成为可能,节约劳力和物力,同时可以减少油彩对面部皮肤危害。

    1. 一种静电纺丝可控有序收集系统和方法,上海大学,刘媛媛,

    公开号: CN104018238A

    摘要:本发明涉及一种静电纺丝可控有序收集系统,包括供液挤出装置,承接部件,阵列针接收板,计算机控制系统和阵列针控制电路;所述供液挤出装置位于承接部件的上方,所述承接部件与阵列针接收板上的阵列针尖之间的距离按照需要调整;所述供液挤出装置的供料喷头连接电源的正极,所述阵列针接收板上每根针相互绝缘,分别与阵列针控制电路独立连接,并通过阵列针控制电路连接电源的负极;所述阵列针控制电路连接计算机控制系统,并通过计算机控制系统控制阵列针接收板上每根针与电源负极的通断。本发明可以得到任意形状的电纺丝结构,不受材料和工艺的限制。

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