研究員開發出產生強大3D列印部件的混合PDMS彈性體

近日， 來自賓夕法尼亞州立大學的研究人員已經成功使用PDMS彈性體混合物3D列印複雜幾何形狀， 各種常見的矽基有機聚合物。 3D列印的PDMS具有優異的拉伸強度， 可用於模塑或澆注PDMS。

從一般意義上講， 3D列印區別於鑄造和模制上的最大優點是可以實現複雜的形狀， 如形成具有複雜的內部和外部幾何形狀的物體， 這些形狀不能通過將液體材料倒入模具中來複製。

然而， 通過對增材製造工藝進行一些調整， 由給定材料製成的3D列印部件可以比由相同材料製成的傳統製造的部件更堅固。 賓夕法尼亞州立大學的一組研究人員在尋求優化用於3D列印的PDMS（聚二甲基矽氧烷或矽樹脂）方面剛剛取得類似的成就。 它通過結合兩種PDMS彈性體來實現， 從而改善了機械特性和更好的生物粘附性。

有時用於製造像晶片實驗設備和3D細胞培養平臺等， PDMS仍然是最普通的產品：耐熱矽膠刮刀等廚具。

但是， 雖然像刮刀這樣的簡單形狀的物體可以用成型設備製造， 但是有時像晶片實驗室（lab-on-a-chip）設備這樣的微小物體需要更微妙的製造方法。

模塑或鑄造PDMS還有其他缺點。 根據賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學及生物工程副教授Ibrahim T. Ozbolat的說法， 鑄造或微成型“產生的材料力學性能較弱， 細胞粘附力也較弱”。 這意味著研究人員經常使用細胞外蛋白如纖連蛋白， 以使細胞粘附。

但這並不意味著工程師應該轉向3D列印來處理他們的PDMS， 因為材料並不總是具有合適的擠出特性。 例如PDMS的彈性體， Sylgard 184， 在3D列印中不夠粘稠：它像水一樣從噴嘴流出， 形成水坑。 那麼你如何使它進行3D列印？

通過將Sylgard 184與另一種PDMS彈性體SE 1700混合， 賓州州立大學的研究人員能夠使混合物進行3D列印， 利用材料的剪切稀化特性， 在剪切應變下降低粘度的過程。 Ozbolat說：“我們對列印適性進行了優化， 以控制列印的原始圖案的擠出和保真度。 ”

顯示剪切變薄的材料對於3D列印來說是非常好的， 因為它們的粘度波動正好適合3D列印設備：材料具有足夠的粘性，

可以靜置在噴嘴中而不會像水一樣滴落， 但是在施加壓力時能夠整齊地從噴嘴擠出。 在外面的時候它會變得更加粘稠， 使它變成複雜的形狀且不會塌陷。 大多數材料的行為方式相反， 在受到剪切壓力時變得更粘稠。

賓夕法尼亞州立大學的研究不僅僅是使PDMS可列印。 研究人員還希望測試列印材料的生物粘附性， 看看它是否可用于細胞培養等生物學應用。 一般來說， 情況並非如此， 因為模塑的PDMS具有光滑的表面並且也是疏水性的， 使其成為堅硬的細胞材料則不太可能。 但是使用3D列印的PDMS結構， 研究人員可以創建不光滑的裂縫， 非常適合細胞使用。

生物粘附測試涉及使用從美國國立衛生研究院獲得的對包括人鼻子在內的各種身體部位進行3D列印的3D模型。

鼻子可以在沒有支撐結構的情況下進行3D列印， 並且包括空心腔。

研究人員通過MRI掃描器檢查他們的3D列印鼻子， 發現結構準確， 幾乎沒有畸形。 這要歸功於在3D印表機中使用的微米尺寸的針頭， 其用於去除粘性材料中的任何氣泡。 令人興奮的是， 3D列印的PDMS鼻子也展現出有用的機械性能。 Ozbolat說：“當我們比較模塑或鑄造PDMS和3D列印PDMS的機械特徵時， 我們發現列印材料的拉伸強度要好得多。 ”

對於結論， 相信用戶都已猜到。 列印的PDMS可以比模塑的PDMS更強， 可用于生物應用， 由導電材料製成的功能性器件和多材料結構。

此外， 參與該項目的其他研究人員包括Veli Ozbolat、Madhuri Dey、Bugra Ayan、Adomas Povilianskas和Melik C. Demirel。