Инженеры довели разрешение 3D-печати силиконом до 8 микрон

Американские инженеры разработали обратно-эмульсионную подложку для 3D-печати сложных структур из стандартных типов силикона. Она обеспечивает детализацию до восьми микрометров без потери устойчивости и эластичности материала. В ходе испытаний с помощью новой методики напечатали модели аневризмы мозговых сосудов и аортального клапана сердца, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Силиконовые эластомеры устойчивы к износу, высоким температурам, химикатам, озону, влаге и ультрафиолету, поэтому их применяют в электронике, потребительских продуктах и медицинских устройствах — встроенных датчиках, гибких платах, мягких роботах. Изделия из силикона создают путем формовки, мягкой литографии и 3D-печати. Последняя сильно ограничена в возможностях из-за большой разницы в эластичности и поверхностных свойствах неполимеризованного жидкого и уже затвердевшего силикона.

Эти ограничения пытаются обойти, погружая заготовку в поддерживающий материал, который обтекает сопло 3D-принтера и стабилизирует чернила. Однако из-за натяжения на границе раздела они все равно часто деформируются и рвутся перед застыванием.

Чтобы решить эту проблему, сотрудники Университета Флориды под руководством Томаса Анджелини (Thomas Angelini) экспериментировали с обратными эмульсиями, в которых дисперсионной средой служит силиконовое масло, а дисперсной фазой — микрокапли воды. Изменяя объем водной фракции и средний диаметр капель, исследователи остановились на эмульсии с пределом упругости (σ_y) равным 9 паскалям и эластическим модулем сдвига (G′) в 320 паскалей. Ее реологические свойства позволяют плавно (число Рейнольдса от 10^-6 до 10^-2) обтекать раздвижное сопло принтера, при этом она достаточно плотная, чтобы удерживать сложные напечатанные структуры из полидиметилсилоксана (ПДМС, простейший силикон).

Эмульсия с чистой водой непрозрачна, что затрудняет визуализацию процесса печати, поэтому авторы работы добавили в воду глицерин в концентрации, обеспечивающей полное совпадение коэффициентов преломления фаз. Методику назвали AMULIT (additive manufacturing at ultralow interfacial tension, аддитивное производство при ультранизком межповерхностном натяжении).

В ходе экспериментов исследователи убедились, что в полностью водянистой подложке (микрочастицы гидрогеля, разбухшие в воде) струя силикона 100-микрометровой толщины образует ровные капли, в органической — рвется, а в AMULIT — застывает ровно. Исследование напечатанных флуоресцентным силиконом образцов под конфокальным микроскопом показало, что при высоком межповерхностном натяжении в водянистой подложке поверхность застывших чернил абсолютно гладкая, а в AMULIT — шероховатая, что препятствует их схлопыванию в капли под действием поверхностного натяжения.

В качестве демонстрации возможностей методики ее авторы напечатали из коммерческих термоотверждаемых силиконовых чернил модель аневризмы мозга пациента по трехмерной ангиограмме, полученной с помощью компьютерной томографии. Разветвленная система полых сосудов со средней толщиной стенки в 400 микрометров хорошо совпадала с оригиналом: 68 процентов напечатанных поверхностей находились в пределах 500 микрометров от заданного положения, 95 процентов — в пределах миллиметра.

После этого из отверждаемого ультрафиолетом силикона напечатали действующую модель аортального клапана сердца в натуральную величину. При печати некоторые детали достигали диаметра 150 микрометров, конечная толщина стенки готового изделия составила примерно 250 микрометров. При этом подключенный к насосу клапан выдерживал цикличный разнонаправленный ток жидкости, симулирующий систолу и диастолу сердца.

Дополнительные эксперименты показали, что AMULIT позволяет печатать стабильные структуры диаметром от восьми микрометров из коммерчески доступных силиконов. Продолговатые тестовые образцы, напечатанные латерально и продольно значимо не отличались друг от друга и имели эластический модуль в 28 килопаскалей. Они сохраняли свойства до растяжения на 1000 процентов и выдерживали 10 тысяч циклов растяжения на ±10 процентов, причем усталостное разрушение у них было меньше, чем у схожих отлитых образцов (снижение модуля эластичности на 14 против 18 процентов).

Авторы работы подчеркнули, что AMULIT доступна к использованию в имеющемся виде и имеет широкий спектр потенциальных применений уже в краткосрочной перспективе.

В 2020 году американские исследователи представили метод 3D-печати микроканалов без поддерживающих структур. Тогда же немецкие инженеры продемонстрировали принтер для непрерывной объемной печати с отдельными внутренними включениями, в котором используются два источника излучения с разными длинами волн. Тремя годами ранее американцы предложили добавлять в силиконовые чернила полимерные пузырьки с газом, чтобы печатать предметы с памятью формы.