2023年5月25日，法国国家科学技术研究院的研究人员在《Additive Manufacturing》上发表题为A microfluidics-assisted photopolymerization method for high-resolution multimaterial 3D printing的研究论文，提出了3D-FlowPrint的概念，通过设计一种可进行快速微流体挤出的打印头，实现多材料的高分辨率3D打印。
//doi.org/10.1016/j.addma.2023.103629
研究简介
3D打印和生物打印被认为是构建复杂微设备、微环境和培养模型的关键技术。其中多材料打印方法由于具有创建精确异构和3D结构的潜力，可用于制备集成多种材料的功能性3D结构。然而，多材料打印和高分辨率打印往往不可兼得，现有技术不能同时提供创建异构3D环境所需的分辨率和多路复用能力。本文提出了3D-FlowPrint概念，采用了浸入液体并移动的光微流控打印头。这项技术结合了微流体在处理和输送小体积材料方面的便利性和激光光刻3D打印具备的高分辨率。由于注入材料的抽吸受到控制，输送的材料被流体动力学限制在打印头下，这确保了材料的连续供应，且避免了交叉污染问题。该工艺结合微流体和光聚合3D打印的独特的优势，将聚合过程与材料输送分离开来，允许高分辨率聚合(低至10微米)和多材料处理(切换时间低于60秒)。研究人员提出了第一个概念验证，使用聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)为基础的水凝胶作为光敏材料模型，同时详细分析了曝光参数、打印头速度、以及流体动力参数对二维和三维非均质结构制造的影响。结果表明，3D-FlowPrint允许创建亚毫米到毫米尺度的多材料设计对象，该方法在生物学中为细胞培养创建工程微环境的潜力。
研究内容解读
本文提出了3D-FlowPrint概念(图1)，采用一种原创设计的具有流体动力约束的打印头，可在打印区域提供快速高效的微流体注射，同时搭建了压力可控的抽吸和注射系统，可以有效地回收打印区域中多余的注入材料，从而减少了周围介质污染的风险。从概念上看，该装置借鉴了D. Juncker和E. Delamarche提出的微流控探针概念的某些方面。但3D-FlowPrint依赖于一种不同的设计框架，突破性地允许注入粘性材料，并且可以在距离基材很远(>500μm)的地方工作。此外，打印头中集成了光纤，以便在材料注入期间通过光聚合来固化材料。与大多数应用不同，光不穿过材料容器层，而是直接提供在靠近流体输送系统的打印头中。在这样的装置中集成光源以精确地光聚合水凝胶几乎是先例，开放式微流控器件与集成光学器件的结合为材料的三维结构研究开辟了一个新的领域。该方法提供了用多种材料控制空间结构组成的能力，并使制造多尺度3D物体成为可能。
图1 3D-FlowPrint概念。(A)显示仪器设置的平面示意图 (B)头部XZ截面的光流体过程示意图。(C)多材料3D打印工作流程。
图2 打印头制造原理。
图3 打印头周围流动分布的表征。
图4 数值模拟显示了流量比、打印头速度对流体动力流动约束(HFC)的影响。
图5 单层PEGDA结构图像。
图6 流动光聚合的研究。
图7 2.5D和3D PEGDA打印结构。
图8 多材料3D打印演示。
图9 PEGDA图案上的细胞和球体图案说明。
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