J. Manuf. Process.：使用遠場直寫靜電紡絲技術自由制備纖維增強水凝膠

DOI:10.1016/j.jmapro.2020.08.041

纖維增強水凝膠是一類軟性復合材料，在組織工程、再生醫學和生物印刷中的使用日益廣泛。這些水凝膠的機械和生物學特性與活組織相似。盡管在纖維增強水凝膠的生物學可行性上取得了巨大進步，但是使用靜電紡絲技術實現的幾何形狀存在局限性。為此，本文旨在開發一種自由形式的制備工藝，以解決現有纖維增強水凝膠制備工藝的兩個主要局限性，即無法制備（i）數十毫米高度范圍內的高層結構，（ii）具有外部懸挑的結構。自由形式的制備過程包括使用遠場直寫靜電紡絲打印頭，該打印頭能夠根據零件的橫截面幾何形狀來印刷特定的電紡纖維層。然后將這些纖維層堆疊以產生三維纖維預制件。最后，將纖維預制件浸入特定的水凝膠和交聯溶液中，以實現感興趣的纖維增強水凝膠部分。為了產生外部懸挑，使用疏水性纖維預成型件結合犧牲性支撐材料以在浸沒步驟中抵抗水凝膠溶液的滲透。該工藝已成功用于具有輪廓的薄型零件和模擬脈管系統的管狀結構。與已發表的純水凝膠結果相比，約1.6wt％纖維增強水凝膠的力學測試顯示其拉伸性能有了一個數量級的提高。

圖1.原型幾何結構：（a）R-P-I輪廓，（b）環形管，和（c）帶法蘭的環形管。

圖2.纖維增強水凝膠的自由形式制備過程。（a）三階段的概述，（b）第一階段的操作步驟，（c）第二階段的操作步驟，（d）第三階段的操作步驟。

圖3.直寫靜電紡絲打印頭設計。

圖4.電場模擬顯示了引導電極電壓對靜電紡絲針和收集基板之間電場強度分布的影響。（a）靜電紡絲模擬裝置示意圖，（b）0kV引導電極電壓，（c）4kV引導電極電壓，（d）10kV引導電極電壓。

圖5.自由形式制備系統的系統視圖，包括（a）運動臺和（b）兩部分收集基板。

圖6.纖維沉積寬度與施加到引導電極上的電壓的關系（親水性纖維預成型件的數據）。

圖7.多材料纖維預制件層的刀具路徑規劃步驟。

圖8.R-P-I輪廓幾何形狀。（a）3D纖維預制件（在水凝膠溶液中浸泡之前），（b）纖維增強水凝膠的最終零件幾何形狀，具有所需幾何形狀的覆蓋層（來自圖1a）。

圖9.環形管原型：（a）原型2，（b）原型2的俯視圖，（c）原型2的側視圖，（d）原型3，（e）使用手術刀去除原型3中的犧牲性支撐材料（綠色），（f）原型3的側視圖[注：虛線表示所需的幾何形狀]（有關此圖例中顏色參考的解釋，請參考本文的網絡版本。）

圖10.1.6wt％纖維增強水凝膠的拉伸試驗：（a）拉伸試樣的尺寸，（b）干纖維預制件（黑色）和纖維增強水凝膠（紅色）的特征應力-應變曲線（注：插圖顯示了典型的試樣破壞圖像）（有關此圖例中顏色參考的解釋，請參考本文的網絡版本。）