供稿人：張佳豪、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-07-26
梯度結(jié)構(gòu)的分級結(jié)構(gòu)賦予了自然物質(zhì)獨特的性質(zhì)，盡管參數(shù)化、優(yōu)化和機器學(xué)習(xí)算法提供了實現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的能力，但精確制造諸如孔隙梯度等復(fù)雜結(jié)構(gòu)仍然是一個挑戰(zhàn)。盡管傳統(tǒng)的直接墨水書寫（DIW）3D打印策略已被普遍接受并成為獲得均勻多孔結(jié)構(gòu)的金標(biāo)準(zhǔn)，但固定的打印參數(shù)(打印速度V和打印高度H)和常數(shù)D限制了梯度和其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建。目前解決這一問題的策略主要集中在不同區(qū)域之間的纖維直徑、間距和交角的整體變化上，在控制梯度維度、梯度分辨率和形狀保真度方面面臨挑戰(zhàn)。
針對以上問題，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院阮長順研究員聯(lián)合哈爾濱工大學(xué)韓振宇教授報道了一種纖維直徑可調(diào)的3D打印策略，該策略使傳統(tǒng)的擠出 3D 打印機能夠通過連續(xù)改變打印軌跡上沉積油墨的體積來生產(chǎn)具有可調(diào)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 1D、2D 和 3D 梯度物質(zhì)。具體來說，作者通過定制打印速度和高度來開發(fā)直徑可編程的耗材。為了實現(xiàn)高形狀保真度，在需要的位置添加了支撐層。
圖1 通過FDA-3DP新策略設(shè)計和制造水平梯度多孔結(jié)構(gòu)
為了探索展示FDA-3DP新策略的更深應(yīng)用，作者設(shè)計制造了內(nèi)嵌HIT字母（哈爾濱工業(yè)大學(xué)的首字母，Harbin Institute of Technology）的多孔梯度結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示HIT字母分別完成了在長方體內(nèi)部的完全貫穿、居中隱藏和居中隱藏并逆時針旋轉(zhuǎn)45°分布（如圖2a）。此外，還在立方體內(nèi)鑲嵌V字母，探索了FDA-3DP策略在超結(jié)構(gòu)領(lǐng)域定制局部力學(xué)性能的潛在應(yīng)用（如圖2b-d）。
圖2 高度可調(diào)孔尺寸的梯度結(jié)構(gòu)（內(nèi)嵌HIT字母和V字母）
本文提出的FDA-3DP新策略突破了傳統(tǒng)擠出3D打印技術(shù)難以加工復(fù)雜梯度多孔結(jié)構(gòu)的難題，作者探索了其在組織工程與仿生器官制造（如骨、軟骨、血管）、4D打印等領(lǐng)域的應(yīng)用可行性，如圖3所示。
圖3 FDA-3DP策略制造的梯度結(jié)構(gòu)的潛在應(yīng)用
該研究通過定制3D打印運動軌跡上的打印速度和打印高度，實現(xiàn)擠出3D打印纖維直徑的精準(zhǔn)控制，革新均勻纖維堆積的傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)梯度多孔結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)制造，為異質(zhì)器官仿生構(gòu)建提供新策略。