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电纺结合3D打印:从想象到现实

2019/7/2 13:37:00 来源: 中国纺织网评论(0)4

电纺3D打印

                                                                     

     

  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……美国通用电气公司曾指出,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,通过逐层打印的方式来构造物体的快速?#23578;?#25216;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?#23548;?#37329;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?#23578;?#25216;术(LCF)、熔融沉积快速?#23578;?#25216;术(FDM)、选择性激光烧结技术(SLS)、立体光固化技术(SLA)、三维印刷?#23578;?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?#25628;芯空?#24320;?#21450;?#30524;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?#31354;?#24320;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?#31354;?#30340;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?#21040;?#30340;三维结构方面,有?#29260;?#20182;传统工艺不可比拟的优势,但是目前几?#32440;?#25104;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?#23578;?#25163;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?#32771;?#20986;?#23578;?#25216;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《Nature Communications》上发表了《Reinforcement of hydrogels using three-dimensionally printed microfibres》一文,详细介绍了如何利用生物相容性材料更为?#34892;?#22320;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?#20013;?#35201;具备柔韧性,因?#25628;?#31350;人员测试一种新的水凝胶?#32479;?#32454;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?#34892;?#25104;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?#25307;?#20063;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

  《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?#28304;?#36827;受损血管的?#25351;础?#28982;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?#38405;堋?#22240;?#25628;芯空?#30340;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?#19981;?#32435;米纤维支架,然后使用3D快速?#23578;?#25216;术涂布PCL链,最终制备出人造血管。应用此方法制造的人造血管具备优良的机械?#38405;埽?#24182;且该方法可用于血管重建。

       上海大学快速制造工程?#34892;?#22312;生物3D打印方面也?#22411;?#30772;性进展。上海大学刘媛媛在2015年6月《Journal of Southeast University?#20998;?#21457;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?#28023;?#36890;过静电纺丝制备支架外层,力学?#38405;?#27979;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?#29616;种?#32454;胞试验表明,细胞在支架上有良好的粘附和增?#24120;?#25152;提出的复合?#23578;?#24037;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?#38431;?#25509;收平台之间的距离较大,纺丝之后成为一团,难以控制其?#34892;?#22534;叠。来自美国旧金山的团队将?#23578;推?#21488;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“?#34903;背尚停?#36825;一过?#22363;?#20026;“静电纺丝?#34180;?#28982;后,打印机将混合在一起的纳米纤维均匀地涂织?#23578;停?#20957;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《Langmuir》上发表题为《Toward Nanoscale Three-Dimensional Printing: Nanowalls Built of Electrospun Nanofibers》的文章,他们展示了可以用3D打印构建的独立纳米墙壁?#25512;?#20182;纳米级3D物体,介绍了一种以精确、重复的方式静电沉积聚合物纳米纤维从而生成指定物体的新方法。

  静电纺丝是一种制造聚合物纳米管相对简单的方法。纳米级纤维流非常混乱,要想控制单根纤维十分困?#36873;?#22312;他们最近的研究工作?#26657;?#21457;现使用一种薄金属电极线可以使得纳米级纤维流相?#26434;行頡?#20351;用这条线,上述聚合物纳米管可?#21592;?#22534;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?#33014;?#32858;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?#20013;?#29366;方面,还是需要快速?#23578;?#25216;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。

     

     

责任编辑:第一时间
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