哈佛大学《Nature》：具有亚体素控制的旋转多材料3D打印方法

导读：在自然界中，螺旋结构所具有的独特机械性能带给了科学家们无数的启发。

2023年1月18日，南极熊获悉，来自哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院和威斯生物启发工程研究所的科研人员们将多材料和旋转两种要素结合并应用在了3D打印技术上，创造了一个新型的旋转多材料3D打印平台（RM-3DP），实现了3D打印细丝中的亚体素控制。并且利用这一方法制造了高保真度螺旋介电弹性体致动器，为研发功能性人造肌肉带来了可能性。另外，研究团队还制造了分层晶格，利用结构化的螺旋支柱在柔性框架中嵌入刚性弹簧，为仿生多功能材料开辟了新途径。

△RM-3DP平台结构

据了解，RM-3DP具备两个特征：

1. 具有方位异质亚体素特征的多材料喷嘴

2. 打印头配置了多个压力控制的墨水槽以及喷嘴自由旋转功能

△亚体素制造

平台的喷嘴系统利用四通道旋转装置实现墨水槽的压力控制和自由旋转，通过将加压空气从一组固定入口传输到一组对应的旋转出口。而储墨器和喷嘴则通过一根轴连接到步进电机上，利用步进电机控制系统旋转部件的旋转和角速度。最后，将整套喷嘴系统安装在一个三轴、运动控制平台上，控制打印喷嘴和基板之间的平移速度和间隙高度，完成了具有亚体素控制的多材料3D打印装置 。

△实现复杂亚结构打印

RM-3DP的打印方式将熔融沉积与光固化两种模式结合，结构方面选取了FDM的龙门控制系统，而在打印材料方面则将聚二甲基硅氧烷（PDMS）或其他低聚物与光引发剂以及相应添加剂混合成为粘性“墨水”并通过紫外灯光实现材料固化。

△3D打印旋转亚结构应用于人造肌肉

通过以上技术，研究团队能够在打印细丝内部制造具有垂直或者螺旋形状的亚结构，将现有的打印细节拓展到了比“体素”更小的细节结构。从而赋予打印细丝更多的结构性功能，例如融合了导电和介电两种不同性质的细丝结构。在细丝被施加相应电压之后，整个结构会像人体肌肉一样进行伸缩。

△施加电压后人造肌肉伸缩状态

另外，研究团队还发现，通过控制螺旋角，能够在拉伸过程中控制用这种方式打印出的晶格的断裂位置。这意味着利用这项技术，人们能够从细节控制程度上创造出原料、形状相同，但结构属性不同的新型材料。

△控制晶格断裂位置

目前，哈佛大学已将这项研究申请了美国专利。另外一个有意思的发现是，本研究的通讯作者Jennifer A. Lewis还在Autodesk、Azul 3D和Desktop Metal子公司Desktop Health的顾问委员会任职。而JAL最近的一项专利则是关于3D打印的生物墨水和3D打印器官/组织模型或治疗构建体的方法。亚体素打印的出现将会为人造血管等仿生组织作出巨大的贡献，相信随着更多技术和资金投入，真正可应用的3D打印人体器官出现在医疗领域的那一天应该不远了吧！

相关文献：

Larson, N. M., Mueller, J., Chortos, A. et al. Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05490-7

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