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3D打印助力人造皮膚研究

復旦大學武培怡教授在Materials Horizons上發表了一種利用3D打印技術制造的人工皮膚,使用捷諾飛研發的生物3D打印機,通過刺激響應性水凝膠的體積相變行為將外界刺激轉變為電信號,加強水凝膠類仿生皮膚的傳感功能,為人造皮膚的研究提供了一種極具潛力的方法。

過去幾十年內,模擬人體皮膚寬量程感官功能和強拉伸性能的柔性電子器件層出不窮。這類被稱為“人造皮膚”的器件可以感知溫度、壓力、應力、震動和生物標記物并將其轉化為可量化的電信號,為醫療保健、可穿戴設備和軟體機器人等領域提供了新的機遇。

復旦大學武培怡教授在Materials Horizons上發表了一種利用3D打印技術制造的人工皮膚,通過刺激響應性水凝膠的體積相變行為將外界刺激轉變為電信號,加強水凝膠類仿生皮膚的傳感功能,為人造皮膚的研究提供了一種極具潛力的方法。

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圖1. 網格水凝膠材料與聚乙烯材料相結合形成的人造皮膚

由于“電子皮膚”無法達到人造皮膚材料低模量、高機械適應性、透光性等要求,科學家們提出了“離子皮膚”的概念:使用同時具有生物相容性和離子導電性的水凝膠作為人造皮膚的材料。

離子皮膚在生理和機械性能上都比電子皮膚更接近人體皮膚,但其傳感性能仍有缺陷。

武教授的團隊使用的PDMA-C18水凝膠具有自愈的能力、對曲面的順應性以及對壓力的高敏感度。

他們利用3D打印技術將這種材料制成了網格結構的離子導電層,并在兩層水凝膠中加入聚乙烯薄膜制成的絕緣層,形成一個電容器(如圖1),提升了離子皮膚產生的電信號。

在打印過程中,水凝膠材料先在料筒中被加熱并保持在45℃達一小時以上,隨后通過一根0.41毫米直徑的平頭針頭以6mm/s的速度擠出在10℃的打印平臺上。測試證明網格結構的水凝膠與實心結構的水凝膠沒有流變性能的差異,不會改變人造皮膚的延展性。

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圖2. 由3D打印制造的帶有亞毫米級別網格結構的水凝膠材料

網格結構起到了放大皮膚形態變化的作用,加強了人造皮膚對形變和應力的感知能力。

圖3對比了具有網格結構的水凝膠材料和實心結構水凝膠材料在不同刺激下產生的電信號。

在低于1kPa的范圍內,網格結構水凝膠的信號靈敏度是實心結構水凝膠的信號靈敏度的五倍。

并且和其他文獻相比,僅有含微結構的PDMS材料的靈敏度可以與這種網格結構相媲美。

當溫度低于27℃時,兩種結構產生的信號相去無幾,而當溫度大于27℃時,網格結構的信號隨著溫度逐步上升,甚至能達到實心結構的六倍。

這兩項實驗均證明了3D打印的網格結構大幅提升了離子皮膚的傳感靈敏度。

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圖3. 網格結構和實心結構水凝膠在不同條件產生的信號對比

為了進一步展現這種人造皮膚感知肢體運動的能力,作者還將水凝膠固定在手指關節上以檢測關節的彎曲。這項實驗不僅再次證明了網格結構的水凝膠能產生更高的電信號,還證明了在手指彎曲過程中產生的電信號可以在手指伸直后完全恢復,具有可逆的重復測試的能力。

綜上,這項研究利用3D打印技術制作了網格結構的水凝膠,并通過將其制作成電容器的結構,提出了保留離子皮膚材料特性并提升傳感能力的方法,為未來的人機交互和軟體機器人等研究豐富了手段。

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圖4. 人造皮膚對肢體動作的感知

本文采用捷諾飛研發的生物3D打印工作站Bio-Architect® WS對含有微結構的水凝膠材料進行打印。Bio-Architect® WS在不同軸向均能實現高精度的3D打印(X/Y軸1μm,Z軸1μm),能夠輕松實現文中亞毫米級別結構的打印任務。

多種可供選擇的打印噴頭能夠針對不同打印材料進行溫度控制,溫控范圍覆蓋-25℃-260℃,確保打印材料以最合適的相態進行打印,降低如文中所列舉的高分子水凝膠等材料的擠出難度。

業內獨有的增壓噴頭能夠實現6MPa的高壓輸出,實現高粘度材料的擠出打印。

強大的軟件功能為您自由規劃打印路徑,隨意設計和調整需要打印的微結構。

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圖5. 生物3D打印工作站Bio-Architect® WS

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