微纳光子器件金属3D打印技术应用：AFM探针？

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微纳光子器件金属3D打印技术应用：AFM探针？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-12-05 08:33 标签：微纳光子器件

组织工程支架是组织工程中常见的细胞粘附载体，提供了细胞生长发育的脚手架。从临床修复角度看，理想的组织工程支架需要兼顾生物相容性和足够的机械强度。常见的壳聚糖等生物支架通常有很高的生物相容性，却没有足够的机械强度，而像聚乳酸类支架不亲水，强度足够，生物相容性又较弱。目前思路是在支架上修饰另一材料来改善支架的生物相容性，然而涂层修饰时引入其它材料又使得该支架走向临床存在很大难度。有没有可能通过纯物理结构的调整来大幅提升原有生物支架的生物相容性？近期，浙江大学贺永教授课题组设计了一种多尺度支架，其策略是通过支架中的粗纤维（100μm左右）网络提供足够的机械强度支撑，超细纤维（2-3μm）网络提供更易于细胞粘附的微环境以促进细胞粘附，增殖。课题组还开发了用于打印多尺度支架的多尺度3D打印系统（MSDWS），可实现同一个喷头打印3μm到600μm精度的生物支架。

我们阐述了多尺度组织工程支架为何能实现力学强度及生物相容性的兼顾（图1）。细胞在支架上的粘附生长，犹如一个人爬一颗大树一样，对于较粗的主干部分，人难以抱住，上升比较困难，而对于较细的支干部分，由于可以抱住整个枝干，人可以轻松地向上爬行。同样，细胞约在10微米尺寸，对其2-3微米直径的超细纤维可以轻松抓握及粘附，而对于100微米这样尺度的支架则无法轻松粘附，也就难以有很高的生物学性能。

Fig.1 多尺度组织工程支架设计思路

论文中提出制造一种既具备机械强（宏尺度纤维）又可以使细胞具有良好的生长微环境（微尺度纤维）供其进行粘附，增殖，分化等的多尺度支架。结合现有组织工程制造技术（熔融沉积成型技术和近场直写技术），研发了该宏微两尺度支架的生物3D打印机，该平台的主要特点是通过控制系统的协调响应，使得通过在同一平台同一个喷头可以制造出本课题提出的组织工程支架。通过探究宏微两尺度支架制造工艺，实现宏微尺度支架制造。最后，为了探究宏微两尺度支架的体外兼容性，使用骨髓间充质干细胞（BMSCs），对制得的支架进行了体外二维细胞和三维细胞培养实验，验证其在组织工程应用上的可行性和多功能性。

Fig.2 多尺度支架制造原理。（A）多尺度支架设计示意图。细丝提供机械强度，细丝提供细胞粘附的微环境；（B）MSDWS示意图；（C）多尺度支架打印；（D）多尺度支架细胞活动上的应用。

Fig.3 FDM和EHD打印工艺表征。（A）影响纤维丝径参数示意图，包括气压，温度，打印速度；（B）（I）FDM打印中，打印参数对丝径的影响；（II）通过调整速度，粗纤维丝径从180μm变化到330μm（C）（I）EHD打印中，打印参数对丝径的影响；（II）通过速度调整，细纤维丝径从2.48μm 变化到 18.3μm；（D）EHD打印的复杂结构，包括（I）蜘蛛网状，（II）花环状，（III）蜗牛壳状。

Fig.4 MSDWS制造的多尺度支架。（A）细纤维90°填充多尺度支架；（B）细纤维45°填充多尺度支架；（C）细纤维60°填充多尺度支架；（D）打印速度和粗纤维沉积距离对多尺度支架的影响；（E）多层多尺度支架。

Fig.5 不同纤维支架机械强度表征。（A）不同纤维支架的代表性拉伸应力/应变曲线；（B）不同纤维支架的拉伸模量；（C）不同纤维支架的代表性压缩应力/应变曲线；（D）不同纤维支架的压缩强度。

Fig.6 多尺度支架生物相容性分析。（A）多尺度支架BMSCs种植和培养示意图；（B）多尺度支架和宏尺度支架细胞粘附对比图；（C）多尺度支架和宏尺度支架细胞增殖对比图；（D）第1,3,5和7天，多尺度支架细胞形态改变和相互作用；（E）细胞迁移到粗纤维上并覆盖多尺度支架所有纤维。

Fig.7 基于协同增强效应，包裹GelMA水凝胶的支架3D细胞培养。（A）BMSCs种植和培养示意图；（B）第一天BMSCs活死染色荧光图表明其圆形形态；（C）第七天细胞骨架图表明其伸展；（D）细胞荧光骨架染色图表明BMSCs迁移至细丝上。

SEM，共聚焦和力学测试等相关测试及评价均在苏州智能制造研究院测试中心进行。研究工作获得了国家自然科学基金、国家自然科学基金创新研究小组基金与中国博后科学基金的资助，特此表示感谢。

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AFM前瞻性综述：基于3D纳米片和3D打印技术构建柔性全固态超级电容器！

由于分层三维（3-D）纳米片独特的几何特征和电子结构，它们显示出优异的电子迁移率、超高比表面积和可靠的结构稳定性。因此，三维纳米片在电化学储能领域具有广阔的应用前景。超级电容器具有充放电速度快、循环寿命长、安全稳定等优点，近年来受到广泛关注。柔性化、小型化、智能化是超级电容储能装置的发展方向。新兴的三维打印技术，尤其是墨水直接写入（IDW）模式，极大地提高了器件微结构的设计能力和控制精度。基于我们或其他团队早期对三维石墨烯纳米片和三维MXene纳米片的研究进展，本综述论文提出利用先进的三维打印技术，利用具有高比电容的三维纳米片活性材料，实现柔性全固态超级电容器的设计。系统分析了用三维打印技术设计叉指电极、多层骨架电极和纤维电极的方法，以及柔性超级电容器的性能评价。本综述旨在为未来柔性全固态超级电容器的实际应用提供新的概念和理论指导，为三维打印构建材料的设计、制备和性能优化提供新的思路和理论指导。

目前，人们对三维纳米片电极材料的设计和超级电容器的应用进行了无休止的评论。最近，还发表了几篇关于3-D打印技术在柔性超级电容器中应用的综述性著作。这些综述分别对三维电极和柔性器件的设计具有积极的指导意义。然而，关于柔性全固态超级电容器中的三维纳米片材料和三维打印技术的联合总结和展望尚不多见。在这篇综述文章中，我们讨论了通过三维打印技术（或一些非打印技术）从三维纳米片（用作微电极的活性砖）构建柔性全固态超级电容器的方法（本综述的概要见图1）。本文的主要内容包括：（1）介绍了三维纳米片材料的基本分类和制备方法，总结了高性能电极材料的一般设计原则；（2）基于有针对性的设计案例，总结了三维石墨烯、三维MXene等三维纳米片的最新制备和应用进展；（3）系统总结了基于三维打印技术（或其他技术）的三维纳米片的各种电极（微交叉电极、多层骨架电极、纤维状电极）的设计策略和全固态超级电容器的应用；（4）最后，我们还讨论了基于三维纳米片的柔性全固态超级电容器的挑战和机遇，为三维纳米片电极材料和高电容柔性超级电容器的未来探索提供了一些启示。

Fig. 1 本综述的概要说明（插图经参考文献许可复制）

我们发明了一种独特的液态金属-硅胶墨水，并提出相应的多材料3D打印工艺，用来制造全打印的液态金属基柔性电子设备。

论文第一作者：周璐瑜；

通讯作者单位：浙江大学机械工程学院

推荐人：李浩然（化学系教授）

近年来，具有出色的可变形性和环境适应性的柔性电子设备在软机器人，人机接口等领域展现出了巨大的潜力。在各类柔性导电材料中，液态金属由于其高导电性和本征可拉伸性而被广泛使用。

受限于液态金属大的表面张力和低的粘度，当前很难用一种简单的方式高效、高精度的打印液态金属，此外，液态金属的强流动性也使得在局部破坏发生时极易产生泄漏，进而导致柔性器件的失效，这些问题严重限制了液态金属基柔性电子设备的制造和应用。

课题组一直在思考如何在保持液态金属优异特性基础上解决这些应用瓶颈。我们猜测将液态金属变成能与柔性基底产生粘接的混合物是否能解决这些问题，开始近两年的液态金属-硅胶墨水的研究，然而在反复试验后，尽管配置的墨水的确能够与硅胶基底产生粘接，但是和我们预设相反的是它打印出来后几乎不导电，这让我们的研究停滞不前，甚至一度打算放弃。

后来我们决定搞清楚不导电的原因，通过深入分析液态金属-硅胶墨水的微观结构，发现其分散后的液态金属微滴被硅胶阻隔，不能够手拉手实现导电，而令人兴奋的是，因为液态金属具有流动性，只要液态金属微滴之间的距离足够近，它们之间的阻隔就能被机械力破坏从而连接导电！但是如何拉近它们之间的距离呢？如果只是简单的混合，液态金属含量太低了就无法激活，液态金属含量太高就无法有效分散。那么将低浓度的混合物浓缩不就可以解决这个问题了吗？在尝试之后，我们发现在离心浓缩之后液态金属微滴的确紧紧地挤在了一起，在固化后用手轻轻一压，就能导电！就这样，几番波折我们才找到这种方案，能够同时解决液态金属难打印和易泄露的局限性。

针对上述挑战，课题组发明了一种独特的液态金属-硅胶墨水，相应的多材料3D打印工艺可以制造全打印的液态金属基柔性电子设备。

这种液态金属-硅胶墨水是一种液态金属微滴和硅胶的浓缩混合物，具有独特的电气性能：初始状态不导电，但在机械激活（按压或冷冻）后导电。激活后的液态金属-硅胶墨水继承了液态金属出色的导电性、可拉伸性和对变形灵敏的电气响应，是一种理想的柔性导电材料。同时，该墨水还具备出色的可打印性，能够在用简单的挤出打印设备实现柔性电路的高速度、高精度打印。此外，由于与常用的柔性材料——硅胶具有相同的组分，液态金属-硅胶墨水能与硅胶基底形成可靠的粘接，从而避免了局部破坏时导电材料的泄漏，提高了柔性器件的可靠性。液态金属-硅胶墨水的这些优点使得高效、高精度的打印高度可靠的液态金属基柔性电子器件成为了可能。

图：液态金属-硅胶墨水的制备和相应的多材料3D打印工艺

图：使用液态金属-硅胶墨水和相应的多材料打印工艺打印的柔性电子器件

图：利用液态金属-硅胶墨水独特的激活特性制造的按压/冰冻开关

我们通过特殊的墨水设计及多材料打印工艺解决了液态金属难以打印，液态金属易泄漏的难题，实现了基底及电路全部采用3D打印一次性成形。

本研究来自于课题组在3D打印领域长时间的积累及对细节的刨根问底。课题组自2016年布局可穿戴设备这一领域，希望从制造层面解决一些瓶颈问题。17年针对液态金属难以直接打印，我们提出了液态金属/柔性材料的共生打印，通过外喷头高粘性的硅胶与内喷头的液态金属时刻接触，抑制液态金属的挤出时的成球效应从而成功实现液态金属3D打印（ACS