绳热静电纺丝分层3D打印

摘要

现在很容易想象，不同的增材制造方法的开发可以在再生医学和前沿纳米技术中找到应用，并对更好地复制组织环境的体内生物孵化器的开发产生浓厚的兴趣。各种各样的静电纺丝技术被用于制备复合聚合物结构，其中纤维被用于一层一层地构建微结构。不幸的是，在加工生物材料的情况下，材料的内在因素可能成为障碍，当考虑这些先进的工程方法。在这里，我们首次使用高温ehd工艺来制作分层的三维结构，该结构由可降解和生物相容的聚合物制成。提出的分层3D打印方法可以在温和的温度下工作，允许高分辨率的沉积和制造上的巨大灵活性，避免高压发电机和喷嘴。讨论了由热电效应激活的分层3D打印的几何特征和工艺参数，并对其进行了表征。不同的几何形状和微结构(墙、正方形、三角形和杂化结构)已经被演示，并讨论了由多壁碳纳米管和荧光铬混合得到的复合聚合物的过度印刷，重点是生物可降解和生物相容性聚合物的使用。

1.介绍

微型和纳米结构纤维在许多新兴技术领域中发现了有前途的应用：可穿戴电子产品，定制的生物医学留置装置，药物输送元件和组织工程支架的制造很少，是最终装置的简单实例。纤维代表添加剂制造的基本组分，其中通过从底部的材料层的层结构构成最终感兴趣的对象[1，2]．通过直接打印纤维来制造三维(3D)结构已经被广泛的材料(生物材料、聚合物、蜡、金属和陶瓷)测试过，即使是在聚合物材料加工的情况下，它也为强大的应用开辟了道路。

在纤维拉伸的方法中，静电纺丝是用于生产纳米和微观纤维的良好和简单的装置。将高电压施加到聚合物溶液中，或者通过喷嘴分配的熔体，随机定位的中泡体的垫通常收集在基板的顶部上[3.，4]．以这一概念为基础的精密静电纺丝方法，如近场静电纺丝、电流体动力书写和直写静电纺丝[5，11.]可以很好地控制纤维的放置。由纤维堆积而成的体系结构的性能主要取决于聚合物油墨的特性。混合聚合物的引入，由石墨烯氧化物(氧化石墨烯)和石墨烯纳米片(GNP)组成的聚合物混合物，可以通过选择合适的GNP/氧化石墨烯比例，创造出可定制的结构，以满足特定的要求，如电导率或强度，在柔性贴片的情况下[12.]．与形状记忆聚合物(SMPs)结合，3D打印可用于自动生成变形结构，如柔性夹持器[13.]．光纤打印已被用于创建可调谐双稳态组件，使用smp组成的特殊接头用于扭转和旋转结构，并避免了复杂和繁琐的后组装程序[14.]．在生物材料方面，材料的内在因素(生物稳定性、生物相容性和流变性)可能成为障碍，当考虑到这些先进的工程方法用于聚合物加工和使用高温。电流体动力(EHD)印刷成为一种可行的高分辨率印刷方法，在这种方法中，油墨在静电场作用下形成泰勒锥，并由此产生精细的喷射或纤维[15.-17.]．EHD Printing通过缩短工作距离和优化高压施加来提供对纤维形成（原位）和沉积的更大控制。这两种因素都在串联允许精密图案化，对纤维形态进行控制，以及构建3D结构的潜力（通过过度打印）。尽管与EHD印刷相关的所有优点，但是若干策略试图减少高电场，这是静电纺丝的特征[18.-20.以及喷嘴的使用，为加工带有或不带有功能性填充物的生物材料引入了更为精细的条件。事实上，EHD打印技术在其可实现的结构分辨率方面受到限制，这主要是由喷嘴尺寸控制的，缩小喷嘴尺寸以获得更好的分辨率将使所需的填充压力对于高粘性生物聚合物不切实际[21-23]．

其中，热释电流体动力(pyroehd)印刷采用热释电材料在温度梯度下拉伸聚合物纤维，结合了温和的操作温度和高分辨率沉积，并在制造方面具有很大的灵活性。高温ehd系绳静电纺丝(TPES)使用了一种非常简单的装置，避免了高压发生器的产生，并已成功地用于制造用于组织工程和微流控设备的平面支架[24，25]．该打印纤维的尺寸克服了传统EHD的限制，其可实现的结构分辨率主要由喷嘴尺寸控制，直接从泰勒锥的伸长中拉伸纤维。在这里，我们首次使用高温ehd工艺来制作分层的三维结构，该结构由可降解和生物相容的聚合物制成。从特性和工艺参数两方面对3D热打印技术进行了讨论和表征。不同的几何结构和微结构(壁结构、正方形结构、三角形结构和杂化结构)得到了证明，并讨论了由多壁碳纳米管和荧光铬混合得到的复合聚合物的超印刷问题。

2。材料和方法

2.1。材料

从Sigma-Aldrich购买Poly（乳酸二乙醇酸）PLGA（38,000至54,000 da; PLGA REGEMER RG 504 H，BOEHRINGER INGELHEIM）和碳酸二甲酯（DMC 20-30W / V，DMC 99％），并使用进一步纯化。多壁碳纳米管（MWCNT，d= 110-170 nm，长度= 5-9μ.M，纯度> 90％）购自Sigma-Aldrich并使用不经进一步纯化。在一些实验中，一种含氟块（尼罗红，c_20.H_18.N_{2 o2}，技术成绩，西格玛 - aldrich和2 μ将G用于毫克PLGA）加入聚合物溶液中并用作模型药物。

２.２.解决方案准备

在固定浓度25 wt%的条件下，在70℃磁搅拌条件下，加入适量的聚合物和溶剂，制备了溶解在DMC中的PLGA聚合物溶液。热合在PLGA溶液,添加填料是在搅拌3小时20 wt %,然后集中解决方案是正确地混合和在使用前用近4 h使用low-mid强度振幅和10%的工作周期,每周期(时间)为了打破纳米颗粒的聚集。在PLGA溶液制备过程中，将荧光染料(尼罗红)加入到PLGA溶液中，在70℃下磁搅拌3小时。所有的纤维堆积溶液都在室温空气中进行了测试。

TPES是通过热刺激铌酸锂晶体(LN，c-切割，两面抛光，500μm厚，和水晶科技公司)。使用商业玻璃微载玻片作为接收靶(厚度100μm)经过乙醇清洗(来自Sigma-Aldrich)。

２.３.光纤拉丝

采用绳系高温静电纺丝技术制备聚合物纤维。用一小滴聚合物溶液作为储层，沉积在用于TPES过程激活的LN晶体板下，详细描述了“三维微结构的栓系热静电纺丝”一段。储液滴被直接移液到聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的疏水微柱上，然后放置在商业显微镜玻片上。在TPES过程的激活下，液滴开始变形，形成一个拉长的尖端，纤维被拉出。用于收集的目标被放置在滴片的前面，并在套印过程结束时移走。采用Zeiss AXIO Zoom.V16显微镜对其微观结构进行了分析和表征。

２.４.形态分析

扫描电子显微镜(SEM)分析采用FEI Quanta 200 FEG (FEI, Eindhoven, The Netherlands)显微镜，加速电压为10-20 kV。图像由二次电子探测器采集。三维微样品被5 ~ 10nm厚的金钯层包裹。

3.结果与讨论

3．1.三维微结构的系绳热静电纺丝

通过TPE获得的过度印刷基于在经受温度梯度时从LN晶体中出现的强烈的热电场的开发。用于Pyro 3D打印的设备（图1(a)由储液滴、热释电晶体、热控制系统、可编程器组成舞台运动，玻璃靶架和各种手动微舞台轴控制。一旦使用常规烙铁尖端通过接触加热晶体，就经受约80°的温度梯度的热电材料产生高电场。波形电场的强度主要是热电系数的函数。事实上，当热控制系统局部地加热晶体时，突然的表面密度充电立即出现忽视损失，在哪里为材料比热释电系数(=−8.3 × 10⁻⁵C /°C / m²对于LN @ 25°C)。

一旦开启热电场，LN晶体和支撑液滴的平板之间就会施加一个很大的电压，从而在开始液滴的表面附近聚集印刷溶液中的移动离子，形成充电器。电荷会带来静电力，使水滴的半月板变形，形成一个锥形(泰勒锥)。当静电力将克服表面张力泰勒锥，射流将从半月板注射到接收衬底。储层液滴位于活性晶体的前方，距离h < 1mm。所选择的距离允许防止喷射从击中目标时屈曲。以这种方式，克服了充电射流的弯曲不稳定性和分裂。基板的运动主要减少了累积的电荷以在低速下提高热静电纺丝的稳定性，并且当速度达到喷射的临界值时主要绘制纤维。规则传统静电纺丝过程的法律在TPE的情况下仍然有效，而主要差异在于剥削热电的开采以激活喷射。静电纺线期间的喷射直径也取决于表面张力 ，流量 ，介电常数 ，和电流在喷气式飞机。Fridrikh提出了一种简单的分析模型，以计算通过静电纺丝产生的纤维的直径[26]．

的参数~R / h是引起法向位移的不稳定性的无量纲波长。的距离能够在到达底物时影响纤维的凝固度。主要是，绘图结果将受油墨的流体性质的影响，印刷工艺条件（即墨水温度，支座距离）和施加的印刷温度。在我们的实验中，选择浓度为25wt％的PLGA / DMC溶液由于用于制造用于组织工程的支架的良好印刷性能。环境参数，例如周围环境的湿度和温度，在印刷纤维的放电，凝固，蒸发速率和粘度中起显着作用，因此应将微环境集成以提高重复性。

将聚合物溶液的小液滴滴在直径约500的微柱上μm），躺在热电晶体前面并固定到移动转换器以控制垂直位置。在无柄粪上，一个薄显微镜玻璃载玻片（〜150 μM厚度）固定在由计算机软件控制的双轴微型转换器（PI，Mercury C-863伺服控制器）上。通过控制翻译器的运动是可以定义不同几何形状的路径，通过在没有喷射中断的情况下通过发射的光纤直接覆盖来制造3D微结构。为了实时地遵循直接写入的演变，USB相机专注于感兴趣区域的侧视图，包括目标基板和储存器下降。在印刷过程中，启动下降被固定，而目标沿着3D制造所需的方向在平面中移动。顶视图1表示平面上的运动和方向，粉色线表示打印的轨迹，箭头表示移动方向。有时需要高速摄像机来监测特征形成、沉积和堆积的动态过程，这将为指导工艺参数的优化提供新的思路，并深入理解热电流体动力过程。

３．２．工艺参数

在通过TPE的印刷过程中，纤维在玻璃基板上铺设，并且通过叠加获得微结构。通过改变若干可控过程参数来调节纤维特性，例如纤维直径及其均匀性。在这项研究中，认为三个参数对纤维直径具有重大影响以及形态，固定在大约110°C的热电效应上激活的操作温度，储层的体积，速度移动阶段，以及支撑储存器下降和接收基板之间的基座之间的工作距离。由此产生的印刷纤维具有直径（ ）10之间的范围 μm << 30μm。控制这些参数可以产生约1的纤维 μm直径或更小，如TPES的例子所示。

３．３．三维微结构设计

创建预先设计的图案模型控制阶段的运动方向，使得纤维可以堆叠在彼此顶部，从而产生多层结构。需要高分辨率移动阶段来调节印刷特征的布置，从而确定确定图案。在图中2我们报道了使用所提出的方法实现的不同微观结构的示意性概述。我们从制造直墙（图2（a）），通过叠加将细长的纤维一体地印刷，蓝色箭头表示在平面上移动的方向（ ， ）而纤维则沿着方向。在补充影片#1中报道了在创建一堵墙的简单情况下的套印程序。然后我们继续设计一个正方形，其中只有一面是由直接印刷叠加。在图中2(b)，灰色的线条只打印一次，而橙色的虚线是在第二步通过叠加实现的，产生更高的边。我们测试了3D打印的属性，在一个正方形的几何体并排创建的情况下。从第一面开始，通过叠加5根纤维得到，我们移动到相邻的一面，以相同的层数实现它，并复制到其余的一面。在图的布局中2（c），红色箭头表明由叠加构成的一侧，另一侧。虚线橙色线表示将以顺时针方向构造的设计线路。我们还通过完整轨道的覆盖来证明了方形或三角形几何形状的制造（图2(d)和2(e))。我们打印出感兴趣的轮廓(正方形或三角形)，然后对相同的轮廓进行多次重写，一层一层地覆盖另一层，直到微结构的最终高度。

3．4．三维微结构的制作

在我们工作的实验部分，我们使用了掺杂氟铬的PLGA/DMC溶液。PLGA可溶解在多种常见的有机溶剂中，选用DMC作为溶剂，因为它易于溶解PLGA并迅速蒸发，与液滴变形和纤维伸长所需的操作时间相匹配。与其他传统有机溶剂相比，DMC具有可生物降解、毒性小等优点，已广泛应用于生物医学领域(支架、纳米/微球、药物传递系统)。PLGA的生物降解速率是由聚合物链中乳酸和乙醇酸的摩尔比决定的，通过控制这些参数，可以对其进行管理和采用。PLGA在DMC中的溶液将是透明的，为了改善喷射延伸及其沉积的实时可视化，我们在可见范围内添加了荧光色素发射。经光学显微镜分析，打印出来的纤维呈粉红色。此外，填料的成瘾，可以被视为与使用活性成分有关的开始试验，这些活性成分可以添加到溶液中，并以适当的速度交付，在药物交付常规情况下。需要指出的是，在热电效应作用下，它对溶液的成瘾并不影响喷射变形和印刷性能。对于微结构的制造，我们开始形成一面墙的结构，打印纤维被设想为一个建筑块。与传统的增材制造方法类似，最终的物体是通过添加一层又一层的聚合物材料来构造的，在我们的例子中，聚合物纤维喷射而不间断。 Even if the working distance was defined in a proper working range, in order to avoid the bending and buckling instabilities of the ejecting fiber, the overlay was simple in case of a single wall while become more critical for complex structures. Figure3(一个)显示立体显微镜图像的多层壁组成约10层，良好的叠加和均匀堆叠，没有空间或缺陷可见。为了更好地观察聚合物层的堆砌情况，在印刷墙面的俯视图中包含了一个SEM表征，具有两个不同的观察角度，图3 (b)和3 (c)．在这两种情况下，缺陷都是最小的，而且纤维被高度精确地堆叠在一起，没有明显的轻微错误。

在演示简单印刷墙后，我们通过制造更复杂的几何形状。特别地，我们专注于聚合物网格的制造仅是交叉两个垂直的水平线中的一个越过分层。图中概述了制造的程序2（b），垂直纤维直接在玻璃载玻片上印刷，然后将样品旋转90°以打印拦截线，其中其中一个组成单层，而第二个则叠印4次。在图中4用相应的立体显微镜和SEM图像报告制造的轮廓。得到的正方形的前侧高于剩余的周边。图的水平纤维4(c)比垂直的更薄，部分悬浮在正方形的交点处，在SEM图像中清晰可见。

如图所示2（c），制成的下一个微结构，该组织在正方形中由相同数量的层制造的所有侧面组成。每侧由5层制成，并且在移动到相邻之前完成。制造过程呈现在两个相邻侧面之间的角度对应的透明不匹配，可能该缺陷是由于在通过聚合物射流变形的垂直方向之间的垂直方向之间的移动转换器之间的快速变化。This mismatch is also accentuated because the PLGA/DMC solution was integrated with MWCNTs improving the stability of the jet as demonstrated in a previous work but, reducing the ability to adapt with a fast response to instantaneous change of direction (i.e., switching from one side to the other implies a change in direction of 90°). In Figure5正方形的轮廓和两个不同的侧面都显示出来，失焦时可以分辨出完整的轮廓。该图像是失焦的，因为是通过倾斜使用立体显微镜观察的样品，以提供叠印面三维可视化。

为了实现更规则的方形结构，遵循Figure的指令2（d），我们通过直接用正方形基地写三次架构。与施工并排不同，在该实验中，完整的轮廓叠加了5次。所得到的微结构出现更规则，纤维覆盖在侧面上的高精度，特别是在角度的对应关系中。为了实现微结构的更明显的三维图像，样品在立体显微镜下以不同的角度倾斜。获取所得到的图像以收集两个相邻侧面之间的交叉点的特写和单面的概述，因此，剩余的轮廓被远离聚焦，从而倾斜样品的倾斜对显微镜的可视化线（图6)．

按照相同的程序实现规则的三维微结构，我们测试了一个三角形几何体，其中相邻边之间的角度为锐角~30°。建筑的构造通过叠加完整的剖面三次，获得了良好的空间分辨率和垂直整理。在图中7我们报告了通过在观察期间倾斜基板而获得的各种观点。长距离图像具有总组织的概念，而倾斜的图像在焦点中观察到焦点的焦点上的一侧焦点。

在最后的实验报告中如图所示8我们展示了如何将不同的TPE模式组合以制造更复杂的结构。我们开始直接印刷聚合物滴。在假设半球形之后，未涂覆基板并且在印刷后稍微折叠分配的液滴。一旦生产了一系列分离的液滴，我们将它们用作用于构造聚合物壁的支柱。我们叠加了聚合物光纤的20次，证明了稳定的多层结构的制造，比上述示例高。数字8(a)为组合后的微观结构，图8(b)和8(c)展示两个组成部分，半球形柱子和多层墙的特写。

4。结论

基于TPE的开发并允许创建三维微结构的系统。首次，通过Pyro-Electry场的作用绘制的纤维被用作添加剂制造的构造块。所提出的分层3D印刷方法在温和温度下工作，允许在高分辨率下沉积和制造的柔韧性。PYRO-EHD系带3D打印使用非常简单的设置避免高压发生器和喷嘴。该实验报告提供了实施该技术的起点。事实上，从制造基本几何（墙壁，立方和三角形微结构的制造中，这项工作代表了设计更复杂的微架构的基础。细节描述制造过程;已经考虑了制造的微观结构，其专注于使用复合材料，特别是生物相容性和可生物可降解的生物材料。考虑到对封装系统等新产品和设备的需求不断增长，很容易想象不同添加剂制造方法的开采可以在更强烈的兴趣对体内生物的发展中兴趣找到使用的剥削。培养箱更好地复制组织环境。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

资金

根据国家研究计划PON 2014-2020（ARS01_01181），我们承认PM3-Piattaforma Moduleare Modulare Multisee的项目支持。

补充材料

在补充影片#1中报道了在创建一堵墙的简单情况下的套印程序。（补充材料）

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