LLNL利用多材料3D打印技术推进细胞流体学

2025年2月8日，南极熊获悉，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)研究人员在多材料3D打印领域取得了新的进展，他们利用毛细作用的力量开发了一种新技术。这项技术涉及一系列定制设计的单元，这些单元能够选择性地吸收流体材料，并将它们精确地引导成特定图案。这使得工程师能够使用原本无法打印的材料或结合具有显著不同属性的材料，制造出复杂结构。

△这项研究已发表在《先进材料技术》期刊上，这项技术将有助于设计和优化结构，实现极高的强度与重量比、增大表面积或实现精确变形等特性

LLNL材料工程部 (MED) 的工程师兼论文第一作者Hawi Gemeda指出：“通过将一些打印和图案化技术分离，我们可以实现一些复杂的多材料结构，而无需总是依赖打印材料。”

LLNL医学博士研究员兼合著者Nik Dudukovic补充说：“本质上，我们是在开放的孔隙中捕获液滴或液流，这些并没有被完全封闭。这使得我们能够将软材料和随后凝固的填充液体组合成坚硬的材料，从而产生一些独特的机械特性。”

△LLNL的3D打印的微结构能够容纳和流动流体，从而在液体和气体之间形成广泛且可控的界面（传送门）

自由控制晶格结构

实现完全的多尺度、多材料3D打印，本质上将为设计带来无限可能。通过结合多种材料，可以创造出前所未有的特性，而增材制造技术则能轻松地生产具有特殊属性的形状，如晶格和螺旋体，这些形状的尺寸是传统制造技术难以企及的。

Dudukovic指出：“通过不同的图案化方式对两种材料进行组合，可以显著改变结构的性能表现。因此，如果你掌握了相关的物理原理，你就拥有一个探索各种机械响应的实验场。”

通常，多材料增材制造需要复杂的设备设置或专用的设备，并且仅限于可进行3D打印的材料。该团队转而利用他们在2021年开发的细胞流体技术，作为一种潜在的替代方案。细胞流体单元是毫米级别的3D打印结构，能够利用毛细作用在开放空间中容纳并流动液体和气体，而不会发生泄漏。在这一尺度下，毛细作用通过表面张力、粘附力和内聚力的综合作用，使得流体能够在开放空间中逆重力流动，类似于水在纸巾上爬升的现象。

研究人员运用细胞流体学原理设计了单元细胞——晶格结构的基础构建块。这些单元细胞是通过计算设计工具创建的，能够限制液体材料并精确控制它的流动方向。他们首先打印出一个晶格支架以确定形状，随后将定向的单元细胞排列成特定图案，确保填充的液体材料仅能按照预定的方式流动。这一过程创造了一种开放式3D模具。令人瞩目的是，这种创新的单元细胞在首次尝试中即取得了成功。

Dudukovic强调：“这项研究不仅极为有益，而且非常罕见。它证明了我们能够极其自信地控制这些复杂结构中的流体流动方向。”

△采用晶格结构打印的样件

晶格图案化

细胞流体图案化极大地扩展了填充流体与周围大气之间的接触表面积，为涉及气体与液体交互作用的应用带来了巨大潜力。这种技术将成为传感与检测、生物反应器、电化学系统、碳捕获平台等领域的潜在颠覆者。

为了探究图案化液体生产多材料固体的可能性，该团队实验了多种单元细胞排列方式，包括45度旋转或离散口袋等，而不是传统的骨架结构。他们还尝试了设计仅在受压时吸收液体的细胞，这可能为自修复结构的设计提供了一条新途径。

Dudukovic表示：“这表明，未来我们或许能够设计出一种结构，使用聚合物填充并原位固化，从而在晶格承受巨大应力的区域进行强化。”

△这项技术未有望用于多种领域，尤其是在零重力条件下的航空航天方向

尽管目前展示的格子仅是一个演示样例，但这项技术未来有望用于制造生物医学应用所需的混合生物材料，以及航空航天工业中复杂且轻质的结构。

Gemeda希望通过将这项技术扩展到陶瓷、金属和生物材料等其它复合系统，进一步拓展设计空间。她探索了利用单元细胞在同一支架中对多种材料进行图案化的可能性，并期望这能激发增材制造社区利用他们的研究成果，以扩展多材料、多尺度的能力。