纤维打印技术——通过原位仿生纺丝和3D打印实现混合纤维增强（生物）材料的制备

《Additive Manufacturing》：Fibroprinting - Hybrid Fiber-Reinforced (Bio)fabrication via In-Situ Biomimetic Spinning and 3D Printing

　　

瓦西姆·基塔纳（Waseem Kitana）|帕维尔·米尔金（Pavel Milkin）|伊利亚·萨迪洛夫（Ilia Sadilov）|奥尔加·鲁苏（Olga Rusu）|穆罕默德·法克鲁尔·宾·卡比尔（Md Fakrul Bin Kabir）|塞伊达·托帕尔（Ceyda Topal）|塞尔玛·帕迪利亚·帕迪利亚（Selma Padilla Padilla）|雅尼娜·雷布汉（Janina Rebhan）|因德拉·阿普西特（Indra Apsite）|吉塞拉·康斯坦特（Gissela Constante）|詹德·沃赫尔·索雷尼奥（Zhander Vohr Sore?o）|阿拉·西尼茨卡（Alla Synytska）|列昂尼德·伊奥诺夫（Leonid Ionov）

摘要

在热塑性塑料、弹性体和凝胶等软材料的增材制造过程中，一个主要挑战是这些材料的机械稳定性较低。自然界通过将胶原蛋白或纤维素等连续纤维嵌入软质基体中来解决这一问题。由于材料兼容性有限、沉积方法受限、对纤维特性的控制不足以及缺乏层间增强作用，将3D打印技术应用于含有纤维的复合材料中一直较为困难。我们提出了一种受蜘蛛启发的技术，该技术将3D（生物）打印与原位仿生纤维纺丝相结合，为纤维增强复合材料的增材制造提供了新的方法。这些纤维的直径范围从约200纳米到约20微米，可以从聚合物溶液或熔体中拉出，最大平均拉速可达4.4米/秒，并通过可控的振荡运动进行沉积，沉积精度可达100微米，沉积距离至少为10厘米。这种技术能够实现水平或倾斜的独立纤维结构，精确调节拉速，并制造出厚度几乎不受限制的复合材料。与现有的许多纤维增强增材制造技术相比，该方法具有以下优势：（i）能够快速沉积非常细的纤维；（ii）可编程控制纤维的沉积和分布；（iii）能够制造出独立的纤维结构；（iv）能够制造出厚度几乎不受限制的复合材料。这些优势使得该技术在生物医学和工程应用中能够实现新型的复杂纤维增强结构。