艾德思：电纺结合3D打印从想象到现实

近些年,经常会看到关于3D打印的新闻报道: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灯……美国通用电气机构曾指出,50年内3D打印技术将能够成功打印出一台航空发动机.3D打印技术已被认为是第三次工业革命的核心技术之一.

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,通过逐层打印的方法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.但这些传统的3D打印技术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进入人们的想象.

在静电纺丝行业, 3D打印也越来越受到人们重视,研究者开始思考怎样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SLS/SLA和3DP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式在组织工程/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和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教授团队在上发表了一文,详细介绍了怎样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需要具备柔韧性,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到达此要求.研究人员使用了一种新的3D打印技术——熔体静电纺丝写入(melt electrospinning writing)技术,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式,该方式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,而且能促进新组织的生长.这项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

(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.应用此方式制造的人造血管具备优良的机械性能,并且该方式可用于血管重建.

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2015年6月中发表题为一文,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式.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式,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一般质感较硬,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较大,纺丝之后成为一团,难以控制其有序堆叠.来自美国旧金山的团队将成型平台制作成衣架形状,推出了全球第一个3D电动织布机Electroloom,可实现自动生产聚酯纤维混棉衣物.这台3D打印机的原理类似于静电纺丝,使用CAD软件设计模板,将设计好的模板放入打印仓后,混合的织物液态溶液在电磁场的引导下,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.

3D打印建筑物

韩国国立首尔大学Kim教授在上发表题为的论文,他们展示了可以用3D打印构建的独立纳米墙壁和其他纳米级3D物体,介绍了一种以精确/重复的方法静电沉积聚合物纳米纤维从而生成指定物体的新方式.

静电纺丝是一种制造聚合物纳米管相对简单的方式.纳米级纤维流非常混乱,要想控制单根纤维十分困难.在他们最近的研究工作中,发现使用一种薄金属电极线可以使得纳米级纤维流相对有序.使用这条线,上述聚合物纳米管可以被堆叠形成壁形结构.研究表明,可以利用纤维和金属线之间的静电相互作用平衡聚合物纤维内部的张紧程度,并且通过控制底座的平移可以控制一个纳米壁的长度.该研究小组称这种新颖的3D打印技术可用于生物支架/纳米过滤器/纳米电极等的开发应用.

电纺已经在组织工程支架和储能等领域发挥了其巨大的作用,但在构建各种形状方面,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,电纺技术解决了线材的尺寸问题.

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