神奇的3D列印：如何快速將一滴墨水變成一顆牙齒

2020-11-04 渭南科普


　　看過科幻電影《終結者2》的朋友對裡面的液態金屬機器人T-1000一定印象深刻，在電影中，T-1000的身體是由可還原記憶的液態金屬構成，可以在液態和固態中自如轉換，被破壞後能夠自我還原，受傷或中彈後傷口還能夠自動閉合，令人嘆為觀止!

　　

　　（圖片來源：電影《終結者2》）

　　藝術來源於生活，科幻就是人們對未來科技發展的一種幻想。看到如此神奇的機器人，很多科研工作者也坐不住了，有的想到研究液態金屬，有的考慮將這種獨特的「能力」運用於3D列印。你沒看錯，就是3D列印，那麼如何進行應用呢？下面就為大家揭曉謎題。

　　單墨滴3D列印，又省材料又可靠

　　3D列印是一種以數字模型文件為基礎，利用聚合物樹脂、金屬、陶瓷、納米複合物等可列印材料，基於逐層列印的方式來構造三維立體結構的技術。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建築、汽車、航空航天等多種領域應用廣泛。

　　在眾多3D列印技術中，基於光固化的連續3D列印技術已成為構造3D結構最有前途的方法之一。然而，相比於基於擠出成型的3D列印方法，其材料利用率較低，而且在連續3D列印過程中，液體樹脂會不可避免地附著在固化結構的表面，其附著量會隨著列印速度和粘度的增加而增加；同時，由於光散射的存在，導致非圖案區中的樹脂發生額外的固化，從而降低了列印的穩定性和精度。

　　為提高材料利用率及列印過程的穩定性，中科院化學所宋延林研究員課題組提出了一種單墨滴3D列印策略，利用界面操作方法就能製備出具有可控形貌的精細3D結構。他們通過在3D列印體系中引入可退浸潤的三相接觸線（TCL），可顯著減少液體樹脂在固化結構表面的殘留；同時還降低了界面粘附，並且增加了液體內部樹脂的流動，可防止高速列印過程中樹脂由於持續處於高強度輻照狀態下導致的列印結構凸起或臺階結構，從而顯著提高3D列印的精度和穩定性，實現一滴成型。這種利用單個墨滴高效構建精細3D結構的策略對於節約墨水材料、按需個性化製備具有重要的意義。研究成果近日發表於《Nature Communications》上（Nat. Commun., 2020, 11, 4685）。

　　

　　利用該技術列印一顆牙齒（圖片來源：作者提供）

　　「一滴成型」是如何實現的？

　　 利用單個墨滴就能精確列印出你想要的東西，聽上去是不是很神奇。那麼這一過程是如何實現的呢？研究人員發現，實現單墨滴3D列印的關鍵是三相接觸線的可控回縮，這主要涉及3D列印體系中三個界面間粘附力值的相對大小：即液體樹脂與固化界面的粘附、固體樹脂與固化界面的粘附及液體樹脂與固體樹脂之間的粘附。為研究具有不同界面性質的基底對單墨滴列印過程的影響，研究人員選擇了三種不同結構的低粘附基底：光滑的氟化石英基底、具有微納複合結構的超雙疏基底及潤滑基底來進行研究。

　　在光滑的氟化石英基底上，儘管三相線可以發生回縮，但由於固化樹脂與固化界面之間的粘附力大，單墨滴3D列印不能實現；在具有微納複合結構的超雙疏結構基底上，可以實現連續列印。但由於超雙疏的產生源於微納複合結構與液體樹脂之間形成的空氣層，因此連續列印過程不穩定且列印結構有豎直條紋；在潤滑基底上，單墨滴可完全轉化為所設計的3D結構，且列印結構具有光滑側壁。

　　研究人員對此現象進行了系統性的研究，得出實現單墨滴3D連續列印需滿足的兩個條件，即液體樹脂與固化樹脂間的粘附（γ1）應大於液體樹脂與固化界面之間的粘附（γ3），同時液體樹脂與固化界面之間的粘附（γ3）應大於固化樹脂與固化界面的粘附（γ2），這為單墨滴3D列印的普適性奠定了基礎。

　　

　　光固化界面性質對單墨滴3D列印的影響（圖片來源：作者提供）

　　研究人員進一步研究了單墨滴3D列印的材料淨利用率，即洗淨的3D結構的質量與液滴質量的比值。發現隨液滴質量的增加，單墨滴材料利用率降低；隨著UV投影面積的增加，單墨滴材料利用率增加；隨著樹脂的三維分布增大或長寬比的增大，單墨滴材料利用率降低，因此可通過以上因素調控單墨滴列印的淨利用率，實現一滴成型。

　　

　　墨滴尺寸和UV圖案參數對單墨滴3D列印材料利用率的影響（圖片來源：作者提供）

　　研究人員基於單墨滴3D列印製備了三種不同的精細牙齒結構，從圖中可以看出列印結構表面光滑，且與設計結構具有相同的形貌，可完全與牙齒模型嵌合，也就是說列印結構具有良好的結構可控性和邊緣完整性，並具有極高的材料利用率。

　　

　　單墨滴3D列印牙齒結構（圖片來源：作者提供）

　　雖然聽起來複雜又高深，但3D列印是能切實應用於生活中的、為我們帶來便利的一項技術。希望科學家們未來能發明出更多更節能的列印方式，讓3D列印更好地造福於我們人類。

( 科普中國-科普融合創作與傳播 作者：張虞 （中國科學院化學研究所綠色印刷實驗室） )

相關焦點

  • 神奇的3D列印教你,如何快速地將一滴墨水變成一顆牙齒
    看到如此神奇的機器人，很多科研工作者也坐不住了，有的想到研究液態金屬，有的考慮將這種獨特的「能力」運用於3D列印。你沒看錯，就是3D列印，那麼如何進行應用呢？下面就為大家揭曉謎題。這種利用單個墨滴高效構建精細3D結構的策略對於節約墨水材料、按需個性化製備具有重要的意義。研究成果近日發表於《Nature Communications》上（Nat. Commun.,2020, 11, 4685）。
  • 神奇的3D列印教你，如何快速地將一滴墨水變成一顆牙齒
    看到如此神奇的機器人，很多科研工作者也坐不住了，有的想到研究液態金屬，有的考慮將這種獨特的「能力」運用於3D列印。你沒看錯，就是3D列印，那麼如何進行應用呢？下面就為大家揭曉謎題。△利用該技術列印一顆牙齒
  • 一滴墨水變成一顆牙齒
    因此，如果能將T-1000這種獨特的「能力」運用於3D列印，不就能極大地節約材料，顯著提高材料的利用率嗎？在眾多3D列印技術中，光固化成型中的數字光處理（DLP）3D列印技術以面為成型單位，且隨著面光源精度不斷得到提高，被認為是最有潛力實現快速製備精密結構的3D列印技術之一。
  • 一滴樹脂列印一顆牙
    在最先進的3D列印中，一滴樹脂滴在被稱為「固化界面」的透明板上，準備好接受已輸入好設計參數的紫外光。隨著紫外光的投影，樹脂一層一層變成固態，一顆牙齒逐漸在成型平臺下顯現，光滑、潔白。一滴成型的3D牙齒（課題組提供視頻截圖）中國科學院化學研究所研究員宋延林和副研究員吳磊共同完成了這一令人驚嘆的3D列印，他們提出單墨滴3D列印策略，通過引入可退浸潤的「三相接觸線
  • 3D列印再獲突破！我國科學家用一滴樹脂列印一顆牙
    在最先進的3D列印中，一滴樹脂滴在被稱為「固化界面」的透明板上，準備好接受已輸入好設計參數的紫外光。隨著紫外光的投影，樹脂一層一層變成固態，一顆牙齒逐漸在成型平臺下顯現，光滑、潔白。一滴成型的3D牙齒（課題組提供視頻截圖）中國科學院化學研究所研究員宋延林和副研究員吳磊共同完成了這一令人驚嘆的3D列印，他們提出單墨滴3D列印策略，通過引入可退浸潤的「三相接觸線
  • 直接「列印」出骨組織,科學家開發的這款新型生物墨水,厲害了
    生物列印是一種新興的增材製造方法，它利用水凝膠等生物材料，將它們與細胞和生長因子結合，然後列印出模擬自然組織的組織樣結構。這項技術的一個應用可能是設計針對病人的骨移植，這一領域正引起研究人員和臨床醫生的興趣。
  • 美國科學家開發新型生物墨水,能直接「列印」出骨組織
    Gaharwar博士，一名副教授，已經開發出一種高度可列印的生物墨水，作為生成解剖級功能組織的平臺。這項研究最近發表在美國化學學會的《應用材料與界面》雜誌上。生物列印是一種新興的增材製造方法，它利用水凝膠等生物材料，將它們與細胞和生長因子結合，然後列印出模擬自然組織的組織樣結構。
  • 從墨水出發,顛覆生物3D列印
    採編：孟詳睿、周俊  排版：謝鳴洲  公司   |   產品   |   火視觀點  公司名片公司名稱：CELLINK創立時間：2015年1月公司屬地：瑞典所屬行業：生物科技公司網址：http://www.cellink3d.com
  • MIT華人教授發明神奇墨水,在小鼠大腦中植入3D列印柔軟電極
    發明導電聚合物墨水，首次實現導電聚合物的高精度3D列印趙選賀教授團隊列印出的這些設備由一種導電的聚合物墨水製成。研究小組將這種類似於液體的導電聚合物溶液轉化成一種更像粘性牙膏的物質，然後放入3D印表機中，列印出穩定的導電圖案。
  • 德國科學家開發出可擦除的神奇3D列印墨水!
    【PConline3D列印資訊】德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究人員開發出一種可擦除的3D列印墨水。這種墨水主要用於直接雷射寫入，它是一種生產納米級結構的增材製造工藝。據開發人員介紹，現在他們可以反覆擦除和重寫大至100納米的微型結構。
  • 大阪研究員開創了生物3D列印技術中生物墨水附著的新方法
    生物3D列印技術正以驚人的速度向前發展，我們看到全功能器官和其他複雜的組織從零開始建成，而將其移植到有需要的患者身上只是時間問題。目前，研究人員正在繼續研究在生物列印過程的各個階段仍然需要面對的一些技術問題。
  • 噴墨列印之墨滴說走就走的旅程
    腔體體積的突然減小，將產生能夠噴出小液滴所需的脈衝壓力。由於壓力波會將液體從噴孔處推擠，形成一個長液帶因此，如果有足夠的能量可以克服液體的表面能，液體就會由噴孔噴出（圖3）。圖4通過機器視覺系統捕捉的一組墨滴下落瞬間的照片衛星液滴與主液滴合併時，剩餘的表面能會轉換為液滴中液體的動能，當能量在動能和表面能之間來迴轉換時，小液滴的表面將發生振蕩，情況如上圖（圖4）
  • 壞掉的牙齒有救啦!3D列印幫你修復大白牙
    浙江大學科研團隊研發出一種神奇仿生藥水，只需在牙齒上滴兩滴，48小時內缺損的牙齒就能「長」出牙釉質。近日，該成果開始從實驗室走向3D列印技術，將實現對各種牙齒疾病的精準修復。浙大的研究團隊，將這種神奇的藥水滴在人工齲齒表面，然後放入模擬的口腔唾液環境中。隨著時間的等待，牙齒的表面發生了巨大的改變。
  • 微量金納米粒子的神奇效果,3D列印變色杯會隨著光線改變顏色
    這是一個神奇的變色杯，它不同於我們常見的加入開水升溫變色的杯子。這種塑料杯的顏色，在不同的光照條件下可以發生神奇的變色現象，是因為杯體中已經添加了金納米粒子。3d列印的高腳杯是二向色的，意思是它在不同的光線下會改變顏色。視頻顯示，當光線通過杯子時，杯子會從透明的紫色變成不透明的棕色。
  • 卡內基梅隆大學開發在10秒內識別冠狀病毒的3D列印傳感器
    該過程使用可以粘附到現成表面上的類似墨水的小液滴形成結構。 AJP的一些應用包括電子，航空航天，醫療設備製造，傳感器等。多家公司已將Optomec的AJP技術用於製造高解析度電子電路和設備，例如應變傳感器，無線藍牙收發器和小型數模轉換器晶片。據中國3D列印網了解，在去年年底，Optomec宣布交付其第500臺3D印表機，其中約300臺由AJP系統組成。
  • 「3d掃描儀結合3d列印技術」學校3d創新教育的一把利器
    解決好如何培養創新型人才這個問題，關乎民族未來，國運興衰，意義重大而深遠。隨著社會的不斷發展，對創新型人才素質提出了更高的要求。3d創新教育是以培養學生創新精神、創新能力、動手實踐能力為價值取向的新型教育。在3d創新教育中，我們要如何讓「3d掃描儀、3d列印技術」這兩把利器發揮重要作用呢？
  • 導電墨水為3D列印增加新可能
    但打造它的公司Voxel8卻不是一家玩具公司，而是是一家為3D列印開發新材料的創業公司，由哈佛大學生物工程的教授Jennifer Lewis創辦。該公司研發了一款能夠在塑料板上列印導電墨水的3D印表機。這意味著，人們可以通過這個設備自由設計電路板。能導電的墨水是該公司想改變3D印表機其中一種材料。這種導電墨水，不僅僅可以在室溫內列印出導電良好的電路，還可以附著在任何一種材料上。
  • 這種小小的可食用沙發是用牛奶「墨水」3D列印而成
    據外媒CNET報導，3D列印技術已經進入食品餐飲領域。到目前為止，我們已經看到了3D列印的壽司、披薩餅，甚至使用3D生物印表機在微重力下製作肉類。
  • 噴墨印表機墨水開發利器 墨滴觀測系統
    墨滴觀測系統是噴墨印表機墨水開發過程中必不可少的開發工具，是印表機墨水開發利器。
  • 臺灣大學科學家研發出「生物3D列印友好型」生物墨水
    在當前生物醫學領域中，組織工程的作用越來越重要——通過將生物材料(支架)、細胞和生物因子整合，有望實現對生物組織和器官的修復。 　　對於組織工程而言，能否構建滿足一定形狀要求、具有類似細胞外基質特性、能為組織生長提供所需生物環境和力學支撐的三維結構支架，至關重要。