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3D打印助力人造皮肤研究

复旦大学武培怡教授在Materials Horizons上发表了一种利用3D打印技术制造的人工皮肤,使用捷诺飞研发的生物3D打印机,通过刺激响应性水凝胶的体积相变行为将外界刺激转变为电信号,加强水凝胶类仿生皮肤的传感功能,为人造皮肤的研究提供了一种极具潜力的方法。

过去几十年内,模拟人体皮肤宽量程感官功能和强拉伸性能的柔性电子器件层出不穷。这类被称为“人造皮肤”的器件可以感知温度、压力、应力、震动和生物标记物并将其转化为可量化的电信号,为医疗保健、可穿戴设备和软体机器人等领域提供了新的机遇。

复旦大学武培怡教授在Materials Horizons上发表了一种利用3D打印技术制造的人工皮肤,通过刺激响应性水凝胶的体积相变行为将外界刺激转变为电信号,加强水凝胶类仿生皮肤的传感功能,为人造皮肤的研究提供了一种极具潜力的方法。

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图1. 网格水凝胶材料与聚乙烯材料相结合形成的人造皮肤

由于“电子皮肤”无法达到人造皮肤材料低模量、高机械适应性、透光性等要求,科学家们提出了“离子皮肤”的概念:使用同时具有生物相容性和离子导电性的水凝胶作为人造皮肤的材料。

离子皮肤在生理和机械性能上都比电子皮肤更接近人体皮肤,但其传感性能仍有缺陷。

武教授的团队使用的PDMA-C18水凝胶具有自愈的能力、对曲面的顺应性以及对压力的高敏感度。

他们利用3D打印技术将这种材料制成了网格结构的离子导电层,并在两层水凝胶中加入聚乙烯薄膜制成的绝缘层,形成一个电容器(如图1),提升了离子皮肤产生的电信号。

在打印过程中,水凝胶材料先在料筒中被加热并保持在45℃达一小时以上,随后通过一根0.41毫米直径的平头针头以6mm/s的速度挤出在10℃的打印平台上。测试证明网格结构的水凝胶与实心结构的水凝胶没有流变性能的差异,不会改变人造皮肤的延展性。

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图2. 由3D打印制造的带有亚毫米级别网格结构的水凝胶材料

网格结构起到了放大皮肤形态变化的作用,加强了人造皮肤对形变和应力的感知能力。

图3对比了具有网格结构的水凝胶材料和实心结构水凝胶材料在不同刺激下产生的电信号。

在低于1kPa的范围内,网格结构水凝胶的信号灵敏度是实心结构水凝胶的信号灵敏度的五倍。

并且和其他文献相比,仅有含微结构的PDMS材料的灵敏度可以与这种网格结构相媲美。

当温度低于27℃时,两种结构产生的信号相去无几,而当温度大于27℃时,网格结构的信号随着温度逐步上升,甚至能达到实心结构的六倍。

这两项实验均证明了3D打印的网格结构大幅提升了离子皮肤的传感灵敏度。

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图3. 网格结构和实心结构水凝胶在不同条件产生的信号对比

为了进一步展现这种人造皮肤感知肢体运动的能力,作者还将水凝胶固定在手指关节上以检测关节的弯曲。这项实验不仅再次证明了网格结构的水凝胶能产生更高的电信号,还证明了在手指弯曲过程中产生的电信号可以在手指伸直后完全恢复,具有可逆的重复测试的能力。

综上,这项研究利用3D打印技术制作了网格结构的水凝胶,并通过将其制作成电容器的结构,提出了保留离子皮肤材料特性并提升传感能力的方法,为未来的人机交互和软体机器人等研究丰富了手段。

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图4. 人造皮肤对肢体动作的感知

本文采用捷诺飞研发的生物3D打印工作站Bio-Architect® WS对含有微结构的水凝胶材料进行打印。Bio-Architect® WS在不同轴向均能实现高精度的3D打印(X/Y轴1μm,Z轴1μm),能够轻松实现文中亚毫米级别结构的打印任务。

多种可供选择的打印喷头能够针对不同打印材料进行温度控制,温控范围覆盖-25℃-260℃,确保打印材料以最合适的相态进行打印,降低如文中所列举的高分子水凝胶等材料的挤出难度。

业内独有的增压喷头能够实现6MPa的高压输出,实现高粘度材料的挤出打印。

强大的软件功能为您自由规划打印路径,随意设计和调整需要打印的微结构。

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图5. 生物3D打印工作站Bio-Architect® WS

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