3D打印微納功能器件典型案例共賞
3D打印(增材制造)，這種層-層(Layer-by-layer)材料沉積的制造工藝在過去幾年蓬勃發展。相對傳統的切削加工和模具制造，3D打印可以更好地創建復雜形狀零件。目前新一代的3D打印技術主要集中在多功能打印方面，即朝著能夠產生完整的集成功能器件的方向發展。與此同時，納米技術和3D打印的結合也為材料設計提供了一種新的思路，其在優化材料性能和提高材料多功能性方面具有巨大潛力。通過3D打印技術來制備三維微納結構的功能器件，各個課題組都做了很多討論。當然，關于這方面的文獻也算是汗牛充棟，這里就列舉幾個典型的成果。
仿生3D解毒器件
Maling Gou，Shaochen Chen等人設計了一種仿生3D解毒器件[1]，他們通過3D打印技術制備具有3D結構的水凝膠，并將具有解毒功能的聚丁二炔(PDA)納米粒子打印在水凝膠矩陣中，從而制得仿生3D解毒器件。納米粒子可以感測、吸引毒素，而具有類似肝小葉微結構的3D水凝膠基質可以有效地捕獲毒素，如圖1a所示。
圖1.(a)PDA納米顆粒(綠色)組裝在PEGDA水凝膠基質(灰色)上;(b)動態立體光刻技術(DOPsL)技術示意圖;(c)3D裝置的激光共聚焦顯微鏡圖像;(d)3D裝置的SEM圖像，比例尺50μm。
首先通過紫外照射使無色PCDA(10, 12-pentacosadiynoic acid)納米顆粒自組裝為具有孔結構的藍色和無色的PDA納米顆粒。由于PDA和毒素之間的相互作用，PDA可以起到吸引，捕獲和中和毒素的作用。之后通過動態立體光刻技術(DOPsL)技術制備仿生3D解毒器件。圖1b為該過程示意圖，使用建模軟件設計不同的圖案，然后轉移到精確控制的數字反射鏡以產生虛擬微掩模(virtual micromasks)。所產生的圖像投射到光固化性樹脂，在光投影面積內凝固，圖案化的層僅一次曝光便可制造。該技術的分辨率高，成型快。對于該實驗則是將含有1%苯基-2,4,6-三甲基苯甲�；戊⑺徜�(lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate)的PEGDA(20 wt%)在 H2O 中與PDA顆粒懸浮液(5 mg ml-1)等體積混合。然后將混合物通過DOPsL技術光聚合成型。
值得一提的是，肝臟具有以末端肝靜脈為中心的六邊形小葉結構，這有助于從系統中有效地去除廢物和異生物。他們據此設計了肝臟模擬結構，圖1c和1d分別示出了所制造的3D裝置的激光共聚焦顯微鏡圖像和SEM圖像。他們的研究結果表明，毒素溶液經過這種仿生解毒裝置處理后，完全失去毒性。這項工作為解毒平臺的發展提供了一種新的思路。
生物活性納米復合材料支架
喬治·華盛頓大學的Lijie Grace Zhang等人報道了一種生物活性納米復合材料支架[2]，其可用于組織工程。他們通過FDM打印機將聚苯乙烯印刷為具有所需孔隙率(40%)的支架。圖2a展示出了FDM的制造方式，該方法是熱輔助制造方法，其中印刷材料(通常為長絲的熱塑性聚合物)在噴頭內被加熱至所需溫度(接近其熔點)，然后從噴嘴中擠出，以逐層沉積的方式來構建三維結構。在沉積之后不久，印刷材料冷卻并固化，這種技術能夠制造復雜的三維結構。
圖2. (a)FDM方法示意圖;(b)(c)的圓柱形聚苯乙烯支架材料的光學顯微鏡圖像側視和俯視圖;
(d)軟骨支架的代表性SEM圖像。
圖2b和2c為制造的聚合物支架光學圖像的側視圖和俯視圖。使用內徑為325μm的擠出噴嘴來制造直徑為約~270μm的長絲3D支架，然后使用未固化的納米復合材料包封制造的支架。納米復合材料包含有納米羥基磷灰石(nHA)，其晶粒長約50-100nm，寬度約20-30nm。在8分鐘的UV暴露下對包封的納米復合材料進行光固化，使用33vol%的d-檸檬烯(d-limonene)溶液將聚苯乙烯支架溶解并去除，得到3D交叉多孔網絡結構。圖2d顯示了多孔支架的SEM圖像，所得孔的直徑等于溶解的聚苯乙烯長絲的直徑。FDM方法可以通過簡單地改變噴嘴直徑和擠出倍增器(extrusion multiplier)來靈活地制造具有期望孔隙率的3D多孔納米復合材料微結構。仿生3D結構內的羥基磷灰石納米顆粒的存在不僅有效地改善生物活性(即增加細胞粘附)，而且還使所制造的支架的抗壓強度的顯著增強。例如，與使用純聚合物制造的結構相比，添加60wt%的羥基磷灰石納米顆粒導致納米復合材料的壓縮模量和抗壓強度分別增加了61%和87%。
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