Одновременная многоматериальная печать в среде для создания 3D-гетерогенных структур

Исследователи из Государственной ключевой лаборатории жидкостных систем и мехатроники представили метод, позволяющий одновременно и точно осаждать различные биоматериалы в среду для печати с помощью нескольких индивидуально управляемых сопел. Работа опубликована в журнале International Journal of Extreme Manufacturing.

По сравнению с традиционным последовательным методом печати, разработанный подход обеспечивает точное осаждение биочернил, что гарантирует позиционную точность и морфологию структуры, а также повышает прочность сцепления между слоями. Метод открывает потенциал для широкого использования в создании гетерогенных структур из мягких биоматериалов и композитов.

Проблема и решение

При обычной встроенной печати вязкая среда (более вязкая, чем воздух) сильно влияет на положение экструдируемых биочернил. Для соединения соседних нитей часто используется стратегия их пространственного перекрытия. Однако для сложных структур с несколькими материалами такое перекрытие может привести к неконтролируемому наслоению и сжатию соседних нитей, нарушая пространственное распределение материалов.

Новый подход

В новой работе ученые проанализировали динамику экструдируемых биочернил в среде. Они смешали флуоресцентные микросферы с чернилами, чтобы определить контур печатаемых нитей, и печатали нити одновременно с разными параметрами.

• Метод позволяет достичь горизонтального соединения между тонкими нитями при широком диапазоне параметров печати.
• Количественно оценено влияние скорости печати и реологии среды на 3D-морфологию нити.
• При высокой скорости печати и низкой вязкости среды одновременно печатаемые нити демонстрируют высокую точность и соотношение сторон, близкое к 1, что позволяет создавать микроструктуры.

Результаты и применение

• Напечатана двухслойная тонкостенная структура с толщиной каждого слоя менее 200 мкм.
• Продемонстрирована печать моделей кишечника и печени. Модель кишечника воспроизводила форму циркулярных складок реального органа. Обе ткани можно было сшивать и извлекать из среды без значительных повреждений или расслоения.
• Испытания на отслаивание показали, что прочность сцепления образцов, напечатанных одновременно, значительно выше, чем у образцов, напечатанных последовательно, по одинаковой траектории.
• Предложенный метод минимизирует риск загрязнения среды при 3D-печати многослойных и многоматериальных структур и может стать прямым решением проблем структурной целостности для таких конструкций.

Метод многообещающ для изготовления гетерогенных структур с высокой точностью и хорошей структурной целостностью и может быть использован для создания in vitro тканевых моделей.