三维多层结构的制备方法技术

本发明专利技术涉及先进制造技术领域，具体公开三维多层结构的制备方法。该制备方法以可固化液体作为组装介质，首先利用驻波驱动微模块组装单元形成特定的图案化结构，然后使液体固化使图案化结构固定。然后以所述固定后的图案化结构为组装腔室基底，在组装腔室中加入新的可固化液体和微模块组装单元，利用驻波驱动微模块组装形成第二层图案化结构，然后固化液体使所述第二层图案化结构固定。采用同样的步骤，可依次构建第三层和更高层图案化结构，从而实现三维多层图案化结构的制造。本发明专利技术的制备方法具有快速、可控、温和、非侵入的特点。非侵入的特点。

【技术实现步骤摘要】
三维多层结构的制备方法


[0001]本专利技术涉及先进制造
，特别涉及三维多层结构的制备方法。

技术介绍

[0002]三维结构的制造方法可分为“自上而下”的减材制造和“自下而上”的增材制造两种基本策略。减材制造是指从原材料上去除多余部分，进而获得几何形状、尺寸精度和表面质量满足要求的三维结构；增材制造是指基于离散
‑
堆积原理，由三维结构数据驱动材料逐渐累加的制造方法(巩水利.中国航空报，2013，T02，1
‑
4.)。相较于传统的减材制造，增材制造方法具有可实现结构一体化生产成型、原材料利用率高以及能够制造形状复杂多样的精密构件等优势(陈杰.钢丝绳增强3D打印混凝土梁受力性能试验研究[D].浙江大学,2020.)。近年来，增材制造受到了学界和工业界的广泛关注，尤其是3D打印技术得到了快速的发展，在先进制造中显示出巨大的优势，在汽车、航空航天、土木工程、生物医学工程等多个领域崭露头角。然而，作为一项新兴的技术，3D打印技术还存在成型慢、精度低、材料种类少、墨水要求高、容易损伤细胞等缺点。研究人员一方面不断优化3D打印技术，一方面也在努力寻求新的增材制造方法。
[0003]法拉第波由英国物理学家Michael Faraday于1831年提出，定义为由液体层的上下垂直振荡产生的加速度所引起的非线性驻波(Faraday,M.Philosophical Transactions of the Royal Society of London,1831,121,299
‑<br/>340)。2014年，Chen等首次利用法拉第波及其产生的辐射和流体动力驱动微球材料进行组装，获得图案化结构，这种图案化组装仅需几秒就能完成(Chen P,et al.Adv Mater,2014,26,5935
‑
5941)。进一步研究发现法拉第波组装可以精确地操控多种微米级单元，包括细胞等生物活性材料，同时这种组装方式具有温和、非侵入的特点，有利于细胞等生物活性成分的维持(Agg A,et al.Materials Today Bio,2021,10.)。然而，受限于法拉第波在液体中的能量分布特征，现有的法拉第波驱动组装仅用于单层图案化结构的构建，尚无构建多层图案化结构的报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出三维多层结构的制备方法，采用法拉第波驱动组装构建图案化结构的原理，结合逐层组装的增材制造思想，能够基于法拉第波驱动微模块组装单元形成三维多层图案化结构。
[0005]同时，本专利技术还提供该制备方法的应用。
[0006]具体地，本专利技术采取如下的技术方案：
[0007]本专利技术的第一方面是提供三维多层结构的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1.将微模块组装单元分散到可固化液体中，得到预组装液；
[0009]S2.向所述预组装液施加驻波，使所述微模块组装单元在预组装液中形成图案，然后使所述预组装液固化，得到第一层结构；
[0010]S3.使所述第一层结构位于另一预组装液的底部，然后施加驻波，使另一预组装液
中的微模块组装单元形成图案，然后使所述预组装液固化，得到第二层结构；
[0011]S4.重复步骤S3，得到三维多层结构。
[0012]本专利技术的三维多层结构制备方法利用驻波产生的辐射和流体动力精准驱动微模块组装单元进行组装，获得图案化结构，并对其固化定型，然后以层为单位实现高效地“逐层”累积，成功得到三维多层图案化结构。且该方法能够可在几秒内操控微模块组装单元一步式形成特定的图案化结构，简单快速；每一层结构的图案可通过改变法驻波的频率和振幅、微模块组装单元的化学组成和形态进行调控，从而实现复杂三维结构的制造。
[0013]在本专利技术的一些实例中，所述可固化液体含有可固化前驱体和引发剂。
[0014]在本专利技术的一些实例中，所述可固化前驱体包括甲基丙烯酸酐化高分子、N
‑
异丙基丙烯酰胺、N,N
‑
二乙基丙烯酰胺、N
‑
乙基甲基丙烯酰胺和聚N
‑
乙烯基异丁酰胺中的至少一种，所述甲基丙烯酸酐化高分子包括甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)。此类物质能够在光照下固化，从而对微模块组装单元形成的图案进行固定。
[0015]在本专利技术的一些实例中，所述引发剂包括光引发剂。所述光引发剂包括苯基
‑
2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基亚磷酸锂(LAP)、1
‑
羟环己基苯酮、2
‑
甲基
‑1‑
(4
‑
甲硫基苯基)
‑2‑
吗啉基
‑1‑
丙酮、4
‑
甲基二苯甲酮和异丙基噻吨酮中的至少一种。
[0016]在本专利技术的一些实例中，所述可固化液体中，可固化前驱体的质量体积浓度为2％～20％，优选5％～15％，更优选5％～10％。
[0017]在本专利技术的一些实例中，所述可固化液体中，引发剂的质量体积浓度为0.05％～1％，优选0.05％～0.5％，更优选0.1％～0.5％，进一步优选0.2％～0.3％。
[0018]在本专利技术的一些实例中，所述可固化液体还含有溶剂，所述溶剂包括水、水溶液、有机溶剂中的至少一种。所述水溶液可根据实际需要选择，只要不与微模块组装单元反应、不溶解微模块组装单元、不对可固化液体的固化产生副作用即可，例如磷酸盐溶液、醋酸溶液、氯化钠溶液、细胞培养液等。所述有机溶剂可根据实际情况进行选择，只要不与微模块组装单元反应、不溶解微模块组装单元、不对可固化液体的固化产生副作用，例如乙醇、甲醇、乙二醇、丙三醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺、二氯甲烷、四氢呋喃等。
[0019]在本专利技术的一些实例中，在进行步骤S3中使所述预组装液固化的步骤前，所述可固化液体、预组装液均置于避光环境下。
[0020]在本专利技术的一些实例中，所述微模块组装单元不溶于所述可固化液体中。
[0021]在本专利技术的一些实例中，所述微模块组装单元具有微米尺寸，其尺寸为10～500微米，优选50～400微米，更优选100～300微米。
[0022]在本专利技术的一些实例中，所述微模块组装单元包括细胞聚集体、天然高分子材料、合成高分子材料、无机金属材料和无机非金属材料中的至少一种。
[0023]在本专利技术的一些实例中，所述细胞聚集体包括由同种细胞组成的多细胞球体以及由不同细胞组成的共培养聚集体与类器官等。
[0024]在本专利技术的一些实例中，所述天然高分子材料可选壳聚糖、胶原、明胶、纤维素、海藻酸钠等以及这类物质的载细胞微球、载药微球，合成高分子可选聚乳酸、聚乳酸
‑
羟基乙酸共聚物、聚己内酯、聚羟基脂肪酸脂等以及这类物质的载细胞微球、载药微球。作为示例，其中所述载细胞微球包括负载骨髓间充质干细胞(B本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.三维多层结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：S1.将微模块组装单元分散到可固化液体中，得到预组装液；S2.向所述预组装液施加驻波，使所述微模块组装单元在预组装液中形成图案，然后使所述预组装液固化，得到第一层结构；S3.使所述第一层结构位于另一预组装液的底部，然后施加驻波，使另一预组装液中的微模块组装单元形成图案，然后使所述预组装液固化，得到第二层结构；S4.重复步骤S3，得到三维多层结构。2.根据权利要求1所述三维多层结构的制备方法，其特征在于：所述微模块组装单元具有微米尺寸，其尺寸为10～500微米。3.根据权利要求2所述三维多层结构的制备方法，其特征在于：所述微模块组装单元包括细胞聚集体、天然高分子材料、合成高分子材料、无机金属材料和无机非金属材料中的至少一种。4.根据权利要求1所述三维多层结...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖林，朱静，张超，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：