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用于先进制造和生物医学工程的3D打印微型冰结构
2022年08月21日    阅读量:40     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com    |  投稿

重大科学突破往往需要最小规模的发明。可以替代心脏和肺的组织工程的进展将需要制造人工组织,使血液能够通过不超过一缕头发的通道流动。类似地,与人安全、舒适地进行物理交互的微型软机器人(soft Robotic)设备将需要制造具有小型液体和气流通道的复杂网络的部件。

3D打印技术的进步使得制造这种微小结构成为可能。但对于那些在特定复杂几何形状中需要非常小、平滑的内部通道的应用,仍然存在挑战。使用传统工艺对这些几何形状进行3D打印需要使用打印后难以移除的支撑结构。使用基于层的方法以高分辨率打印这些模型需要很长时间,并且会影响几何精度。

卡内基梅隆大学的研究人员开发了一种高速、可复制的制造方法,将3D打印过程“从内到外”转化。他们开发了一个3D打印冰结构的方法,可用于创建牺牲模板,随后在制造部件内形成导管和其他开放特征。

机械工程博士生Akash Garg和化学工程博士后Saigopalakrishna Yerneni在机械和生物医学工程教授Burak Ozdoganlar、Philip LeDuc和Phil Campbell的指导下开发了该工艺并进行了研究。

“使用我们的3D ice工艺,我们可以制造具有平滑壁和具有平滑过渡的分支结构的微尺度ice模板。这些模板随后可以用于制造具有明确内部空隙的微尺度零件,”Garg说。

作为地球表面最丰富的物质和任何生物的主要组成部分,水特别适合用于生物工程应用。水向冰的简单而快速的相变为将水用作环境友好的结构材料提供了令人兴奋的机会。

“它没有比水更具生物相容性,”加格说。

该团队使用打印的冰结构作为“反向成型”或内外3D打印的牺牲模板。冰结构浸没在冷冻结构材料(如树脂)的液体或凝胶形式中。在材料凝固或固化后,去除水。为此,冰可以融化以排出水。或者,冰可以通过将其转化为水蒸气而升华,而不转化为液态水。这种容易升华冰的能力允许在铸造和固化周围结构材料后轻松“温和”地移除。

高分辨率3D打印系统用于将水滴沉积到-35摄氏度的定制温控平台上,该平台可将水快速转化为冰。通过调节水滴的喷射频率并使其与载物台的运动同步,新工艺能够打印具有平滑表面的分支几何图形和具有平滑过渡的直径连续变化。

研究人员通过打印多个复杂的冰几何图形来证明这一点,例如一棵树、一个绕着北极的螺旋,甚至一个1.5毫米高的章鱼雕像。水的快速相变和冰的强度使冰结构的自由形式3D打印成为可能,而不需要耗时的逐层打印或支撑结构。

进行了实验研究,以确定打印路径、运动台速度和液滴频率,以重复地制造具有直、倾斜、分支和分级几何结构的光滑冰结构。

“控制这么多参数是一项挑战,”加格解释道。“我们的复杂性逐渐增强。”

“这是一项了不起的成就,将带来令人兴奋的进步,”奥兹多甘拉尔评论道。“我们相信,这种方法具有巨大的潜力,可以彻底改变组织工程和其他需要复杂通道的微型结构的领域,如微流体和软机器人。”

卡内基梅隆大学的教研人员经常在跨学科团队中合作,以解决此类工程和生物挑战。

莱杜克说:“卡内基·梅隆大学的一个精彩部分是将来自许多不同学科的人聚集在一起,以独特的新方式开发新方法和解决问题,这正是这里开发这些令人兴奋的发现的原因。”。

研究人员承认已故的李·韦斯(Lee Weiss)的巨大贡献,他最初构建了高分辨率3D打印系统。韦斯是工程学院和计算机科学学院的教授,也是卡内基梅隆机器人研究所的创始成员。

这项研究发表在《高级科学》杂志上。虽然3D ice工艺在工程应用中的应用,如为软机器人创建气动通道,可能只需一年时间,但其在组织工程中的临床应用将需要更多时间。

标签:机器人机器人应用技术中心配件与装备人工智能系统及软件
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