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柔性线框模具实现微纳结构的无损伤脱模- 高精度3D打印助力水凝胶类生物材料微纳结构精准制造

已有 708 次阅读 2019-11-16 15:28 |个人分类:论文|系统分类:论文交流| 微纳制造, 水凝胶, 3D打印, 细胞图案化, 细胞定向

吕尚_2019_Biofabrication_10.1088_1758-5090_ab57d8.pdf

柔性线框模具实现微纳结构的无损伤脱模-

高精度3D打印助力水凝胶类生物材料微纳结构精准制造

摘要:水凝胶由于其优异的生物学性能,在生物医药,组织工程领域得到了广泛的应用。然而,高生物相容性的水凝胶通常软而脆,力学性能,成形性能差,从而难以进行微纳尺度制造。浇注脱模法是传统而有效的微纳制造工艺,但脱模时常会破坏水凝胶,产生各种微纳缺陷。究其根本原因,现有的模具和待成形结构间全面而亲密的接触导致脱模时脱模应力过大,局部的微纳结构被拉扯断裂产生缺陷。EFL团队(浙江大学贺永教授团队)提出了一种新型的模具设计思路:柔性线框模具,改原来的亲密面接触为疏远的线接触,从而实现将脱模应力降低到可以忽略的地步,实现无损伤脱模。我们发展了一套近场直写高精度3D打印方法来实现这种柔性线框模具的高效制造,可实现500nm-100um微纳尺度结构制造。基于该方法,可方便灵活的在生物水凝胶表面构造各种微纳结构,实现了兼具优异力学性能以及亲水性的凝胶微流控芯片的高效制造,并展现了其在细胞定向,细胞行为研究、细胞图案化等方面的应用。此外,这种柔性线框模具实现无损脱模方法还可以应用到其他材料,成为软脆性材料微纳制造的一种通用方法(图1)。

图1. 微线框模具,凝胶基微流控芯片制造流程及相关应用

论文已被生物制造领域的顶级期刊Biofabrication所录用,吕尚博士生为一作,贺永教授为通讯作者。论文信息:Micro/nanofabrication of brittle hydrogels using 3D printed soft ultrafine fiber molds for damage-free demolding,Biofabricationhttps://doi.org/10.1088/1758-5090/ab57d8

课题组利用自主研发的高精度近场直写3D打印设备(EFL-BP5800),通过在基底上沉积任意图案微纳尺度柔性纤维,制成柔性线框模具。随后通过浇注和无损脱模过程,实现在材料表面的微纳结构制造(如图1)。不同于传统IC工艺或者软光刻工艺中的高硬度,整体式模具,柔性线框模具由软纤维构成,并且结构可拆分。利用模具的这一特性,脱模时可不用一次性整体分离材料和模具,而是先将纤维与材料一起同基底分离,再将纤维剥离材料。由于这一过程中,纤维同材料永远是一种局部小面积接触,相较于传统方式产生的脱模应力极小,因而可以实现无损伤脱模。(如图2)

图2. 传统脱模与无损脱模的模具与脱模过程对比


 

我们分别从力学角度和有限元分析视角将我们的脱模方法同传统方法进行比较。从力学角度而言(如图3),传统脱模方式脱模应力产生的原因主要有4点:界面粘附,机械摩擦,材料弯曲产生应力以及不对称脱模对材料产生的附加力矩。而前两个因素产生的整体力与材料同模具间的接触面积成正相关,所以如何降低接触面积,成为降低应力的一个关键。我们提出的无损伤脱模正是通过让纤维与材料在分离过程中始终保持一个局部接触,来大大降低接触面积。除此之外,剥离纤维过程中,材料的弯曲几乎可以忽略,因而又可以消除弯曲应力。所以,我们提出的脱模方式可以大大降低脱模应力,实现对脆性材料的无损伤制造。接着,从有限元角度(如图4),我们建立了模拟两种脱模方式的模型,并不断增大过程中的接触面积。结果显示,无损脱模方式可以将脱模应力维持在一个相当低的水平,相反,传统脱模方式产生的应力随着接触面积的增大急剧上升,预计会在几平方厘米的范围内比无损脱模方式产生的应力高出好几个数量级

图3. 传统脱模与无损脱模宏微观力学分析对比

图4. 传统脱模与无损脱模有限元分析对比

 


 

为了实现可控微纳结构制造,我们探索了相应的近场直写3D打印工艺和流道成形工艺(如图5)。通过调整近场直写3D打印的工艺参数,我们可以实现500nm-100um直径的纤维以及复杂图案沉积。除此之外,我们还统计了相应的流道成形参数以及所用水凝胶的溶胀对流道参数的影响。

图5. 近场直写3D打印及流道成形工艺

 


 

我们首先将上述工艺制造的微结构用于实现毛细微流控(如图6)。由于整块芯片都基于水凝胶,所以其亲水性极好。加上流道的直径都在100um以下,所产生的毛细驱动力十分充足,以至于我们可以利用其在流道中自动运输液体和细胞。除此之外,我们实现了多尺度仿生血管网络的微流控芯片的灌流,展示了该工艺在器官芯片领域的应用潜力。

图6. 微流控应用

最后,我们通过调控流道直径来实现对细胞定向生长的诱导(如图7)。结果显示,细胞定向生长得程度与流道直径高度相关,这种现象是流道的物理限制以及细胞对环境应力响应的综合结果。

图7. 细胞图案化应用




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