材料沉積噴墨打印及
涂層系統解決方案

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基于Inkjet、EHD、Ultra-sonic等技術的納米材料沉積噴墨打印和表面涂層知識。

<p>使用Inkjet噴墨打印技術,通過以點成線,線成面,面成體的方式,將微液滴(皮升量級)進行分配,可累積成立體的結構,從而實現微結構的打印。</p><p>有一致性好,可重復性好,圖案精細等特點。</p><p>Inkjet噴墨打印技術可以滿足多種3D打印需求,如精密3D打?。ǜ呔攘悴考蛴?、藝術作品創作等)、3D微結構打?。蒲?、科技創新等)等,<br/>并能在三維層次分配生物材料,實現3D生物打印,可應用于藥物傳遞和組織工程。</p><p><br/></p><p><br/></p><p><br/></p>

3D打印

使用Inkjet噴墨打印技術,通過以點成線,線成面,面成體的方式,將微液滴(皮升量級)進行分配,可累積成立體的結構,從而實現微結構的打印。

有一致性好,可重復性好,圖案精細等特點。

Inkjet噴墨打印技術可以滿足多種3D打印需求,如精密3D打?。ǜ呔攘悴考蛴?、藝術作品創作等)、3D微結構打?。蒲?、科技創新等)等,
并能在三維層次分配生物材料,實現3D生物打印,可應用于藥物傳遞和組織工程。




典型案例

  • ▲ 組織工程3D打?。?D生物打?。?/h4>

    通過Inkjet技術和3D打印技術,將組織和器官的基本微元素有機結合起來,從而有效地克隆出具有生物活性和正常功能的組織和器官,對受損部分進行修復、替代和再生。

  • ▲ 燒傷組織修復再生(3D生物打?。?/h4>

    組織修復與再生仍是醫學界長期存在的重要挑戰,常見的急性、慢性和先天性損傷均需要植入性的組織或器官進行治療,以提高患者的生存率和生活質量。然而,由于移植器官的等待周期過長、重建手術的組織需求量過大等因素,均嚴重阻礙治療進程。雖然患者是唯一的自體材料來源,但是患者的自身材料有限,因此,人工方法進行組織的構建受到越來越多的關注。體外的三維環境下,進行生物可吸收的聚合物創建,也對現階段的構建工藝提出更高的要求。 基于MicroFab的噴墨打印技術,具有高集成性和非接觸等顯著優勢,有望成為新一代組織修復新技術。MicroFab技術公司和Wake Forest 再生醫學研究所研發了一種皮膚工程3D生物芯片,可進行三維條件下皮膚的修復研究,用于治療由于熱損傷、機械損傷、疾病、癌癥和遺傳疾病而造成的皮膚創傷。真皮修復結構打印機(DRCP)可精準控制細胞、基質和生長因子的體積和比例,構建功能細胞、生長因子、非細胞基質的三維空間,通過非接觸式的按需噴墨生物印刷技術,將皮膚組織再生的所需時間從傳統的14-21天減少至5-7天。 如圖所示,DRCP置于HEPA 100級正壓層流箱中,配有3D生物芯片和紫外線殺菌燈。打印頭安裝在龍門架上,包含兩個valvejet分配器和四個噴墨機?;瘜W反應性和紫外光反應性水凝膠的交聯可通過動態交聯噴霧器或光纖紫外光來實現。更換式加熱基底平臺可匹配SBS格式微波板(6,12,24,48,96孔),100mm培養皿和小的活動物(如小鼠和大鼠)。用戶可以通過scriptwriter程序創建打印模式,指定每個位置要存放的落點數量(通過落點增加的卷)、落點間距、要存放的層的順序以及交聯的類型和持續時間。

  • ▲ 神經組織的修復、再生(3D生物打?。?/h4>

    通常來說,創傷性損傷往往會導致神經組織的丟失,臨床醫生只能從患者身體其他部位取得部分神經,以修復更嚴重的神經缺損。雖然自體神經移植成功率高達80%,但仍會對患者造成創傷。目前,組織工程師發現,采取人工方法(如,生物可吸收神經引導導管)促進神經再生可有效減少損傷。生物可吸收神經導管法將近端和遠端神經殘端在導管內縫合,優化創傷部位的生長條件,以促進神經再生。另外,由于導管在修復完成后被人體吸收,不需要手術移除。 噴印技術作為神經組織的修復再生提供了新思路,將噴墨技術應用于生物可吸收神經導管法可做到以下幾點: (1)管道內壁與外側均有涂層; (2)導管中裝入噴墨分液單元; (3)可將噴墨噴藥微球裝入導管; 更重要的是,噴墨方法具有高精度的特性,使人們能夠創建和控制管道材料中的蛋白質量或梯度,以及管道表面紋理和物理尺寸。組織工程工作站的打印程序可以精確控制沉積的精確點,分辨率為0.2 mm。

  • ▲ 神經導管打?。?D生物打?。?/h4>

    上圖為分叉的神經導管。每個段的直徑為1.8mm,總長度為20mm。頂點處的關節流暢地連接每個段。通常來說,創傷性損傷往往會導致神經組織的丟失,臨床醫生只能從患者身體其他部位取得部分神經,以修復更嚴重的神經缺損。雖然自體神經移植成功率高達80%,但仍會對患者造成創傷。目前,組織工程師發現,采取人工方法(如,生物可吸收神經引導導管)促進神經再生可有效減少損傷。生物可吸收神經導管法將近端和遠端神經殘端在導管內縫合,優化創傷部位的生長條件,以促進神經再生。另外,由于導管在修復完成后被人體吸收,不需要手術移除。 噴印技術作為神經組織的修復再生提供了新思路,將噴墨技術應用于生物可吸收神經導管法可做到以下幾點: (1)管道內壁與外側均有涂層; (2)導管中裝入噴墨分液單元; (3)可將噴墨噴藥微球裝入導管; 為更好的使用噴墨技術進行導管打印,進行了相關調整,包括:1)將桌面版本的JetLab系統連接到無菌的組織培養罩上;2)運動臺和金屬固定裝置的尺寸進行了調整,以保證氣流在發動機罩內暢通無阻;3)在電子電路中引入熱電偶與溫度控制器反饋回路耦合,控制印刷基板的溫度;4)增加了一個旋轉軸,允許芯軸在打印過程中旋轉。 噴墨方法具有高精度的特性,使人們能夠創建和控制管道材料中的蛋白質量或梯度,以及管道表面紋理和物理尺寸。組織工程工作站的打印程序可以精確控制沉積的精確點,分辨率為0.2 mm。

  • ▲ 微球囊打?。?D生物打?。?/h4>

    由于噴墨技術依賴于數據驅動、非接觸技術的結合,因此可將精確的皮升體積的材料在目標地點高速、準確地存放。MicroFab公司的噴墨技術可在三維層次分配生物材料,廣泛應用于藥物傳遞和組織工程。標準的JetLab系統常用于生產給藥系統,該系統包括:1)微細分發硬件,由一個或多個印刷壓電裝置構成,允許單或多流體分發或擴大單一流體分發;2)樣品打印三軸運動系統,通常包括3個定位階段與光學編碼器(編碼器分辨率1.0 m);3)光學系統,以兩臺黑白CCD相機和一個抓幀器為準,可對準運動臺和印刷基板,檢查噴射過程的質量,確保噴射的效果;4)驅動,這種脈沖的特性取決于流體特性和微分發裝置的結構;5)可選擇的軟件(內部開發):打印裝置/流體,可應用于打印裝置的電脈沖特性,每個位置的滴點數量和打印圖案。 采用噴墨技術中常見的各種方法,如點選和連續模式噴射,可制備具有窄尺寸分布(標準差1 m)的紫杉醇單分散微球。HPLC測定的載藥效率至少為68%,高效液相色譜分析表明,微球囊對藥物分子并不產生影響,而MTT試驗證實其對癌細胞具有殺傷作用。體外試驗表明,制備的紫杉醇微球釋放時間約為50d,在此期間的藥物釋放超過80%。因此,Micro Fab噴墨技術可用于制備具有良好藥理性能的單分散微球,而且,與其他微球囊制備方法相比,制造過程從熱力學控制機制轉變為機電驅動機制,更易于控制。

  • ▲ 結構蛋白(3D生物打?。?/h4>

    萊布尼茨新材料研究所的Ma?gorzata K和 W?odarczyk-Biegun在“3D bioprinting of structural proteins”的研究中,重點講述了結構蛋白(膠原蛋白、蠶絲、纖維蛋白)生物打印的研究進展,作為一種特別有趣的技術來重建天然支架的生物化學和生物物理組成以及層次形態。結構蛋白提供的分子設計的靈活性,結合了生物打印固有的混合、沉積和機械加工的靈活性技術,使功能強大的支架和組織模擬物的制造具有一定程度的復雜性和組織性,這才剛剛開始被探索。這里描述了基于結構蛋白的生物墨水的打印參數和物理(機械)特性,包括打印支架的生物學功能。描述了應用打印技術和交聯方法,重點介紹了為改善支架性能而實施的修改。還報告了使用的細胞類型,細胞活力,和可能的構建體應用。研究團隊設想,將打印技術應用于結構蛋白,將實現對其超分子組織的空前控制,賦予打印支架生物特性和接近自然系統的功能。 作者對比了噴墨打印,機械點膠和激光打印,噴墨打印的優勢在于高速、成本低,缺點是只能用相對低濃度的細胞溶液防止堵塞噴頭(RUIDU 生物噴墨3D打印平臺 RD-3DB200 已優化這一不足)。機械點膠可以使用更高濃度的細胞溶液,但油墨沉積過程中剪切應力引起的變形對細胞活力的影響。激光打印允許打印高粘度材料和高細胞密度在非常好的分辨率下,卻受到高成本和缺乏打印大型結構的適用性。 作者同時也用不同材料打印出了不同效果,打印結果良好。作者提出大多數生物打印ECM蛋白的研究都集中在自然材料的模式傳遞上。然而,這種打印方法在打印時提供了額外的優勢作為超分子形成單位的結構蛋白。在微尺度上加工材料所施加的機械力可以影響材料的自組裝過程,形成具有特定力學性能的分層排列的上層結構。這種策略被自然系統用來處理具有獨特性能的材料。例如,在蠶或蜘蛛中,絲蛋白的折疊和組裝是在腺體通過一個狹窄的管道分泌時發生的,產生的材料的屬性取決于擠壓參數,如剪切力和環境條件,如pH值下降,離子交換,分泌過程中溫度的變化。此項打印方法可以使蛋白質結構擁有前所未有的復雜性和組織性。

  • ▲ 3D肺泡屏障模型打?。?D生物打?。?/h4>

    隨著新呼吸道病毒的爆發和肺部疾病的高死亡率,迫切需要人類呼吸系統的生理相關模型來研究疾病發病機制、藥物療效和藥理學。生物打印技術是可用于制造復雜結構的3D組織模型的新興技術之一。生物打印可以3D方式自動沉積細胞和生物材料,實現組織模型的高度控制和定制生產。生物打印組織工程可以為體外藥物篩選和毒性研究提供更精確的模型。在生物打印技術中,壓電噴墨生物打印最適合重建薄而復雜的軟組織特征。這是因為按需打印方法具有分辨率高、打印速度快、高細胞活性、材料浪費低等生物打印技術的優勢?;趪娔纳锎蛴C在其噴頭中包括一個壓電制動器,在電脈沖下在墨水腔內產生聲波,以噴射典型體積為 1~100 pL(10-12L)的非常小的液滴(MicroFab噴墨技術可實現≥0.1pL的微液滴),噴墨打印的這種能力已被證明能夠在2D和3D環境中以高精度和速度對活的哺乳動物細胞進行微圖案化。

  • ▲ 3D水凝膠微結構(3D生物打?。?/h4>

    相關研究團隊使用微反應噴墨打印實現了獨立式3D水凝膠微結構。反應噴墨打印作為一種多材料制造工藝具有廣闊的前景,因為它具有定制化、小型化和精確控制用于圖案化的液滴的獨特優勢。對于水凝膠結構的噴墨打印,將水凝膠前體(或交聯劑)打印到交聯劑(或前體)浴或基材上。然而,使用噴墨打印技術對復雜水凝膠結構進行圖案化和設計的進展受到凝膠化和運動控制之間不穩定相互作用的限制。因此,通過使用海藻酸鹽作為模型系統,應用微反應噴墨打印(MRIJP)(配備有2個直徑60μm的MJ-ATP-01噴頭)來展示水凝膠微結構的自發3D打印。此外,用于MRIJP技術的毛細管數-韋伯數內的可打印窗口證明了速度對實現空中二元液滴碰撞的重要性。最后,系統分析表明,隨著時間的推移,水凝膠的結構和擴散系數是影響打印水凝膠形狀的重要因素?;趯λzMRIJP的這種基本理解,可以控制水凝膠的制造過程和結構,并適用于任何低粘度(<40cP)反應油墨的2D/3D微結構打印,具有代表性的組織模擬結構是在這項工作中提出的?200μm直徑的空心管。

  • ▲ 微血管

    使用噴墨打印機進行生物打印微血管。中間圖:共聚焦圖像顯示由含有熒光珠的膠囊形成的藻酸鹽管,顯示管是空心的。右圖:微血管的共焦z堆棧重建。β-連環蛋白(綠色)和 DAPI(藍色)。插圖顯示了微血管的橫截面。(MJ-AB-01–080, MicroFab)

  • ▲ 活性生物材料軟結構打印

    Yong Huang博士的團隊在佛羅里達大學蓋恩斯維爾分校和MicroFab Technologies之間的 NSF GOALI合作下所做的工作出現在增材制造的第31卷中。該研究題為“液體吸收系統輔助交叉噴射打印活性生物材料的軟結構”。這種用于生物3D打印的新方法避免了在沉積前預先混合反應成分。通過使用兩個相交的噴射打印,分別分配的活性材料,在空氣中相互碰撞和混合,然后降落在先前沉積的層上。使用海藻酸鈉和氯化鈣墨水的交叉噴射打印,成功打印了不同的3D結構,實現了2.5高徑比。這種打印技術在打印3T3細胞時不會影響打印后的細胞活力,展示了其在生物打印應用中的巨大潛力。

  • ▲ 血管網絡(3D生物打?。?/h4>

    MicroFab噴墨方法具有高精度,因此可有效控制管道材料中的蛋白質量和梯度,以及管道表面紋理和物理尺寸。目前,MicroFab已初步應用于外周神經的再生、心血管、食道等組織結構的構建。如圖所示,模擬血管網的三維聚合物結構(120μm的寬分支)。

  • ▲ 金屬3D微結構打?。ń饘?D打?。?/h4>

    SolderJet?技術(焊錫噴射技術)的目標是用于電子組裝過程,其中焊料被用作將電子組件組裝到基板的附件和/或結構材料。SolderJet?技術基于壓電需求模式噴墨打印技術,能夠以高達每秒400的速度放置直徑為25-125μm的熔融焊錫滴。通常使用220oC的工作溫度,并且已經證明了最高300oC的溫度。該溫度范圍已被用于印刷傳統的SnPb和無鉛焊料,例如SnCu,In和Sn。噴錫是一種環境友好的過程,不需要電鍍化學藥品,僅在精確的位置印刷所需數量的焊料。 SolderJet?沉積是數據驅動的,因此不需要諸如照相工具或絲網之類的硬工具。SolderJet?沉積的一種應用是晶圓隆起。上圖右上角顯示了一個邊界陣列,其中心點在150μm處有60μm的球,而區域陣列在250μm中心點處有100μm的球。 SolderJet?沉積是非接觸式的,可以在3D空間中以任何角度定向,以適應獨特的應用。打印頭旋轉45o可以將這些焊點沉積到導體和VCSEL陣列之間的直角界面上??梢栽趩蝹€位置進行多次沉積來創建3D焊料結構,包括CSP概念原型中所示的150μm中心的240μm高的塔。已經使用噴墨在塔之間分配了聚合物,以在回流期間保持幾何形狀。 SolderJet?打印頭可以安裝在MicroFab的jetlab?打印平臺,可作為用于集成到用戶的平臺的子系統。

  • ▲ 3D微電子封裝(金屬3D打?。?/h4>

    CSP(chip scale package)封裝的焊錫柱和電介質印刷。

  • ▲ 金屬3D微結構打印

    功能材料的噴墨打印是實現低成本、大面積電子產品的關鍵技術。相關研究團隊在用于低溫3D微金屬結構制造的金屬納米顆粒直接噴墨打印的研究中,通過金屬納米粒子(NP)的直接噴墨打?。∕icroFab按需噴墨打印系統)展示了低溫3D微金屬結構制造,作為一種通用的直接3D金屬結構化方法,代表了傳統真空沉積和光刻方法的替代方法。金屬NP墨水被噴墨打印,以利用納米材料的大熔化溫度下降和NP墨水配方的簡易性。對NP墨水穩定3D噴墨打印的基本條件進行了參數研究。此外,還展示了各種3D金屬微結構,包括微金屬柱陣列、螺旋、鋸齒形和微橋,并進行了電氣表征。由于該過程需要低溫,因此它具有在塑料基板上制造電子產品的巨大潛力。(上左圖顯示了一個側面的傳輸圖像的NP 3D噴墨打印過程。上右圖為通過改性NP噴墨打印制備金屬NPs的各種三維微觀結構:(a)微柱陣列,(c)微螺旋,(d)微鋸齒,(b)微柱的SEM照片。插圖條為100μm。)

  • ▲ 金屬3D微結構打?。ń饘?D打?。?/h4>

    隨著3D打印和微納科技的發展,近年來國內外研究人員已經開發了多種3D微結構打印工藝、打印材料及裝備,并應用于多個領域。如航空航天、汽車、醫療、模具、建筑等行業。

  • ▲ 固體聚合物高溫噴墨打?。ň酆衔?D打?。?/h4>

    高溫焊料噴墨打印系統-固體聚合物高溫打印測試,上圖直徑約為116μm。目前驗證的最小圓柱直徑為60μm。固態聚合物高溫打印的光滑程度與選用的溫度有關。

  • ▲ 精密模具/零部件3D打?。ㄔ霾闹圃欤?/h4>

    3D打印又稱“增材制造”,是一類制造技術的總稱,從內涵至外延包含了廣泛的原材料應用和增材工藝方法。

  • ▲ 可生物降解骨科植入物

    噴墨打印Fe–30Mn可生物降解支架,孔隙率為36.3%。

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