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電紡結合3D打印:從想象到現實

2019/7/2 13:37:00 來源: 中國紡織網評論(0)4

電紡3D打印

                                                                     

     

  近些年,經常會看到關于3D打印的新聞報道:醫院用3D打印定制出適合病人尺寸的器官模型,某創作團隊制造出薄如紙片的LED燈……美國通用電氣公司曾指出,50年內3D打印技術將能夠成功打印出一臺航空發動機。3D打印技術已被認為是第三次工業革命的核心技術之一。

        3D打印屬于快速原型制造技術的一種,是一種以數字模型文件為基礎,運用工程塑料或金屬粉末等可黏合特性,通過逐層打印的方式來構造物體的快速成形技術。該技術能夠簡化產品制造程序,縮短產品研制周期,提高效率并降低成本,可廣泛應用于醫療、文化、國防、航天、汽車及金屬制造等產業,被認為是近20年來制造領域的一個重大技術成果。

  根據打印技術原理以及所適用材料的不同,3D打印技術可分為激光熔覆成型技術(LCF)、熔融沉積快速成型技術(FDM)、選擇性激光燒結技術(SLS)、立體光固化技術(SLA)、三維印刷成型(3DP)等。但這些傳統的3D打印技術能夠打印的線材尺度目前只能到毫米級,所打印的成果產品表面有的還較粗糙,達不到最理想的效果,另外有的生物產品經過3D打印的高溫燒結或熔融沉積會導致生物活性降低,限制了其應用,因此研究者開始把眼光投到更深層次的應用和技術上。于是我們熟悉的靜電紡絲技術開始進入人們的想象。

  在靜電紡絲行業,3D打印也越來越受到人們重視,研究者開始思考如何將同樣受到重視的靜電紡絲與3D打印結合集成為一體,從而改變3D打印在尺寸上的缺陷,同樣也使靜電紡絲從單純的膜、線、帶這種二維結構擴大到三維結構,由此3D打印結合靜電紡絲慢慢開始從研究者的想象中走出來,進入現實,一些技術開始得到應用。

  3D生物打印技術是當前3D打印技術中最前沿、最受關注的領域之一。由于3D打印具有個性化特點,可廣泛應用于生物醫學,具體包括細胞打印、組織工程支架和植入物、牙科等。雖然生物3D打印技術在制造生物可降解的三維結構方面,有著其他傳統工藝不可比擬的優勢,但是目前幾種較成熟的3D打印工藝,如SLS、SLA和3DP中往往借助了高溫燒結、噴灑黏結劑等輔助成形手段,會導致材料生物活性遭到破壞,這在很大程度上限制了這些方法在組織工程、生物醫藥等領域的應用。為此,基于3D打印原理的生物增量擠出成形技術和電紡絲技術先后被提出,并受到國內外學者的廣泛關注。

  3D打印軟骨

  澳大利亞昆士蘭科技大學Dietmar W. Hutmacher教授團隊在《Nature Communications》上發表了《Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres》一文,詳細介紹了如何利用生物相容性材料更為有效地修復人體組織,尤其是關節軟骨。由于軟骨既要有一定的機械強度又需要具備柔韌性,因此研究人員測試一種新的水凝膠和超細纖維支架合成材料來到達此要求。研究人員使用了一種新的3D打印技術——熔體靜電紡絲寫入(melt electrospinning writing)技術,這是一種使帶電荷的聚合物熔體在靜電場中形成射流來制備聚合物超細纖維的加工方法,該方法有助于提供用于細胞生長的空間,同時對細胞所需的機械剛性也有一定的幫助。最終打印出的結構不僅能夠實現自然愈合,而且能促進新組織的生長。這項基于靜電紡絲原理的3D打印技術,為生物醫學研究人員打開了大門。

       3D打印可吸收血管支架

  《physical chemistry chemical physics》(Phys.Chem.Chem.Phys.,2015, 17, 2996)發表了韓國機械和材料研究院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,文獻中提到用天然高分子納米纖維組成的人造血管移植到人體中以促進受損血管的恢復。然而,靜電紡絲納米纖維的生物相容性材料,如殼聚糖,都缺乏良好的機械性能。因此研究者的設計和制造分為兩步,第一步采用靜電紡絲技術制備殼聚糖和PCL共混納米纖維支架,然后使用3D快速成型技術涂布PCL鏈,最終制備出人造血管。應用此方法制造的人造血管具備優良的機械性能,并且該方法可用于血管重建。

       上海大學快速制造工程中心在生物3D打印方面也有突破性進展。上海大學劉媛媛在2015年6月《Journal of Southeast University》中發表題為《Composite bioabsorbable vascular stents via 3D bio-printing and electrospinning for treating stenotic vessels》一文,文中設計了一種新型血管支架用于血管狹窄治療。針對目前制備生物可吸收血管支架在裝備和技術上的不足,提出了結合生物3D打印和靜電紡絲制備復合生物可吸收血管支架的新方法。首先,用PPDO材料通過3D打印制備支架內層;然后配制殼聚糖和PVA混合溶液,通過靜電紡絲制備支架外層,力學性能測試顯示結合3D打印和靜電紡絲制備的支架要好于僅采用普通支架。在支架上種植細胞試驗表明,細胞在支架上有良好的粘附和增殖,所提出的復合成形工藝和方法,為后續構建可控載藥支架提供了很好的思路。

       3D打印服裝

  目前用3D打印技術打印的衣服一般質感較硬,無法做貼身的衣物。傳統的靜電紡絲,一般使用高壓電源,泰勒錐與接收平臺之間的距離較大,紡絲之后成為一團,難以控制其有序堆疊。來自美國舊金山的團隊將成型平臺制作成衣架形狀,推出了全球第一個3D電動織布機Electroloom,可實現自動生產聚酯纖維混棉衣物。這臺3D打印機的原理類似于靜電紡絲,使用CAD軟件設計模板,將設計好的模板放入打印倉后,混合的織物液態溶液在電磁場的引導下,按照模板“澆鑄”成型,這一過程稱為“靜電紡絲”。然后,打印機將混合在一起的納米纖維均勻地涂織成型,凝結成一種無縫的面料。

       3D打印建筑物

  韓國國立首爾大學Kim教授在《Langmuir》上發表題為《Toward Nanoscale Three-Dimensional Printing: Nanowalls Built of Electrospun Nanofibers》的文章,他們展示了可以用3D打印構建的獨立納米墻壁和其他納米級3D物體,介紹了一種以精確、重復的方式靜電沉積聚合物納米纖維從而生成指定物體的新方法。

  靜電紡絲是一種制造聚合物納米管相對簡單的方法。納米級纖維流非常混亂,要想控制單根纖維十分困難。在他們最近的研究工作中,發現使用一種薄金屬電極線可以使得納米級纖維流相對有序。使用這條線,上述聚合物納米管可以被堆疊形成壁形結構。研究表明,可以利用纖維和金屬線之間的靜電相互作用平衡聚合物纖維內部的張緊程度,并且通過控制底座的平移可以控制一個納米壁的長度。該研究小組稱這種新穎的3D打印技術可用于生物支架、納米過濾器、納米電極等的開發應用。

       電紡已經在組織工程支架和儲能等領域發揮了其巨大的作用,但在構建各種形狀方面,還是需要快速成型技術,所以3D打印技術的加入無疑會豐富電紡的應用空間,而反過來,如今的3D打印技術在尺寸細化問題上還不能得到很大突破,僅止于毫米尺度,電紡技術解決了線材的尺寸問題。

     

     

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