基于多材料液滴的水凝胶纤维，用于挤出式3D打印

《Small Methods》：Multi-Material Droplet-Based Hydrogel Threads for Extrusion 3D Printing

提出一种集成挤出法和喷墨法优势的多材料水凝胶3D打印技术，通过微流控芯片生成连续材料线程，利用磷脂层实现材料界面稳定，成功打印Hilbert曲线等复杂结构，适用于生物制造和软体机器人领域。

　　这项研究提出了一种创新的多材料水凝胶线打印技术，旨在解决传统3D打印方法在处理多材料时所面临的挑战。传统的3D打印技术主要包括挤出式打印和喷墨式打印两种。挤出式打印能够精确地沉积高粘度材料，但容易发生材料交叉污染；而喷墨式打印虽然能有效管理低粘度油墨，但存在精度不足、可扩展性差以及精确滴落位置控制困难的问题。为了克服这些局限性，研究人员设计了一种新的水凝胶线制造技术，结合了挤出和喷墨方法的优点。这种技术利用微流控芯片生成水凝胶滴，通过油流环境中的连续油吸区域使滴之间相互接触，并借助磷脂在油相中形成的单层和双层结构来防止滴的融合，同时促进滴之间的粘附。

这项技术的关键在于其多材料水凝胶滴线的形成过程。首先，微流控芯片中的T型结构被用来生成具有均匀尺寸的水凝胶滴。每个T型结构连接到一个特定的水凝胶前体溶液的储液池，确保每种材料在流道中独立生成。生成的滴随后通过一个蜿蜒通道，这一通道为磷脂单层的形成提供了充足的时间。接着，滴进入一个油吸区域，该区域通过减少油流速度和滴之间的间距，使滴能够相互接触并形成磷脂双层结构。最终，这些滴线被挤出到油浴中进行3D打印，从而构建复杂的结构。

这种技术的一个重要创新点是动态油吸策略，它使得滴线能够在较长的时间内持续形成，为多材料水凝胶打印提供了一种稳定且可扩展的解决方案。在油吸区域的设计中，研究人员采用了特定的几何结构，以确保油流的稳定性，同时防止滴进入油吸通道。通过调整油吸通道的长度、高度和宽度，可以有效控制油流速度和滴线的形成。实验结果显示，当油吸通道的宽度和高度分别为0.2 mm和0.3 mm时，能够实现较高的油流速度，同时保持滴线的稳定性。

此外，该技术还能够打印具有高分辨率的结构，例如基于希伯特曲线的图案。这些图案展示了技术在制造复杂结构方面的潜力。通过使用紫外光固化，研究人员能够将水凝胶滴线转变为稳定的多材料水凝胶结构。固化过程不仅破坏了磷脂双层，还促进了滴之间的融合，形成连续的水凝胶网络。这一过程在固化后能够保留原始的结构特征，表明了该技术在生物打印和软体机器人制造中的应用前景。

在实验过程中，研究人员还详细描述了微流控芯片的制造方法。芯片的设计和制造使用了3D打印技术和树脂模具，通过真空脱泡和高温固化确保了芯片的稳定性和功能性。为了提高芯片的制造一致性，研究人员对油吸区域进行了优化，采用了梯形结构而非传统的矩形结构，以减少因UV光导致的通道变形问题。

水凝胶溶液的制备同样至关重要。研究人员使用了多种不同的水凝胶配方，包括含有丙烯酰胺、双丙烯酰胺、光引发剂和染料的溶液。这些配方的粘度和流变特性被仔细调整，以确保在打印过程中能够形成稳定的滴线。同时，为了防止滴在打印过程中发生融合或污染，研究人员在油相中添加了磷脂，使滴表面形成单层，并在滴接触时形成双层结构。

通过实验，研究人员验证了该技术在制造复杂结构方面的可行性。他们发现，当油吸通道的宽度和高度相等时，油流速度的变化呈现出一个明显的拐点，表明在不同的几何条件下，油流速度和滴线的形成具有不同的响应机制。此外，实验还表明，通过调整油吸通道的长度，可以有效控制油流速度，从而影响滴线的稳定性和连续性。

在实际应用中，这种技术不仅能够制造具有高分辨率的结构，还能够支持多材料的精确沉积，减少材料交叉污染。这对于生物打印和软体机器人制造尤为重要，因为这些领域需要高精度和高生物相容性的材料。通过这种技术，研究人员能够打印出具有不同物理特性的水凝胶结构，从而满足各种应用需求。

未来，这项技术还有进一步优化的潜力。例如，可以考虑在微流控芯片中集成更多的微流控阀门，以提高材料多样性和打印精度。此外，采用连续电机替代当前的线性电机，可以实现更复杂的非线性结构打印，提升打印能力。同时，减少对3D打印模具的依赖，使用可溶解的支撑浴液，有助于简化打印后的处理步骤，提高制造效率。

总之，这项研究提出了一种全新的多材料水凝胶线打印方法，结合了挤出和喷墨技术的优势，解决了传统方法在材料兼容性和结构复杂性方面的限制。该技术不仅能够制造高精度的结构，还能够实现多材料的稳定沉积，为未来的生物打印、软体机器人和软材料制造提供了新的可能性。