一种大高度微纳结构的三维熔融静电打印方法与流程

本发明涉及微纳制造与增材制造技术领域，具体涉及一种大高度微纳结构的三维熔融静电打印方法。

背景技术：

熔融静电打印是一种高精度的微纳米纤维制造技术，该技术利用聚合物熔体在强电场下形成微纳米纤维进行静电直写，结合传统增材制造的原理与方法，通过层层堆积实现各种三维微纳结构。该技术不仅具有纤维直径小、纤维均一性好、能够实现亚微米、纳米尺度等优势，而且可用于熔融静电打印材料很多,包括从绝缘聚合物到导电聚合物,从无机高分子材料到生物材料，因此该技术在微纳米器件、组织工程等领域有广泛的应用前景。

但是由于打印工艺的限制，该技术在制作大高度三维微纳结构方面仍存在一些问题：由于该技术是利用高压静电驱动实现纤维的沉积，随着三维微纳结构高度的不断增加，电场强度也随之改变，原有的打印工艺改变，使得可制作的三维微纳结构高度有限，最大高度一般不超过2mm，不能用于构建较大高度的三维微纳结构。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大高度微纳结构的三维熔融静电打印方法，能够稳定、连续的打印出具有大高度的三维微纳结构，可广泛应用于微纳米器件、组织工程等领域。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种大高度微纳结构的三维熔融静电打印方法，包括以下步骤：

1)根据想要打印的复杂图案或三维模型在计算机上编制出控制移动平台的程序；

2)配置含导电介质溶液，含导电介质溶液质量浓度介于1～20％之间；

3)选取熔融静电打印材料，熔融静电打印材料包括聚己内酯、聚乳酸、聚丙烯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、乙烯/聚乙烯醇共聚物、尼龙系列聚合物的具有极性基团的高聚物，根据材料的熔点不同，确定电加热圈或水油浴循环的加热温度，电加热圈温度范围在40～500℃之间，油浴循环温度范围在40～200℃之间，水浴循环温度范围在40～100℃之间；

4)将步骤2)配制的含导电介质溶液和步骤3)选取的熔融静电打印材料分别装入含多个喷头的熔融静电打印装置的注射器中,其中溶液打印喷头用于将步骤2)中配置的含导电介质溶液以挤出的方式打印，熔融打印喷头用于将步骤3)选取的熔融静电打印材料以熔融静电打印的方式打印；

5)根据所需要纤维的线宽，线宽尺寸在1～100μm之间，从而确定移动平台的移动速度：1～300mm/s、熔融打印喷头的型号：100～1000μm,以及高精密注射泵流量：5～1000ul/h，熔融静电打印喷头接正电压，移动平台上的接收平台接地，调整熔融打印喷头与接收平台之间的距离：0.5～10mm之间，打开高压电源，调整电压至需要幅值：0.1～20kv；

6)将控制移动平台的程序输入主机，程序通过控制模块控制运动平台和熔融静电打印喷头实现层层堆积得到0.1～2mm的三维微纳结构；

7)待完成单次打印的三维微纳结构后，程序自动将熔融静电打印喷头切换到溶液打印喷头，溶液打印喷头将步骤2)中的含导电介质溶液以挤出的方式填充进步骤6)中所得的三维微纳结构中，溶液填充高度稍微低于三维微纳结构的高度，利用温度交联或者化学交联的方法使含导电介质溶液成胶，含有导电离子的盐溶液则不用进行交联处理，形成新的接收平台，程序自动将熔融打印喷头与接收平台之间的距离调高一个胶体的厚度：0.1～2mm；

8)根据控制移动平台的程序，自动重复步骤6)和步骤7)，直到三维微纳结构的高度达到所需高度，得到三维微纳结构与电介质溶以及水凝胶的复合结构；

9)通过清洗、改变温度或化学反应方式去除步骤8得到的复合结构内部的电介质溶液或水凝胶，得到大高度微纳结构，还能够获得大高度微纳结构与水凝胶的复合结构。

所述的步骤2)中含导电介质溶液包括各种含有导电离子的盐溶液，盐溶液包括氯化钠溶液、氯化钙溶液，或具有一定导电性能的凝胶-粒子混合溶液。

所述的凝胶包括温度交联的明胶和琼脂糖、化学交联的壳聚糖和海藻酸钠、光交联的聚乙二醇和明胶，或者这些材料的混合溶液。

本发明的有益效果为：

与现有的熔融静电打印方法相比，本专利的优势是通过向三维微纳结构中填充可流动的导电介质溶液，使得在打印过程中导电的接收平台动态升高，克服传统熔融静电打印工艺中电场随高度升高而衰减的缺点，从而实现大高度三维微纳结构的一体化制造。

附图说明

图1为实施例步骤6)得到的三维微纳结构。

图2为实施例步骤7)得到的三维微纳结构。

图3为实施例步骤8)得到的三维微纳结构与电介质溶以及水凝胶的复合结构。

图4为实施例步骤9)得到的三维微纳结构。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种大高度微纳结构的三维熔融静电打印方法，包括以下步骤：

1)根据想要打印的复杂图案或三维模型在计算机上编制出控制移动平台的程序；

2)配置含导电介质溶液，所选用的含导电介质溶液为明胶和琼脂糖相互混合后的溶液，质量浓度为5％和1.5％；

3)选取聚己内酯为熔融静电打印材料，确定电加热圈的加热温度为：70℃；

4)将步骤2)配制的明胶和琼脂糖混合溶液和步骤3)选取的聚己内酯分别装入含多个喷头的熔融静电打印装置的注射器中,其中溶液打印喷头用于将步骤2)中配置的含导电介质溶液以挤出的方式打印，熔融打印喷头用于将步骤3)选取的材料以熔融静电打印的方式打印；

5)选择8μm作为纤维的线宽，从而确定移动平台的移动速度：30mm/s、熔融打印喷头的型号：400μm,以及高精密注射泵流量：100ul/h，熔融静电打印喷头接正电压，移动平台上的接收平台接地，调整熔融打印喷头与接收平台之间的距离：3mm，打开高压电源，调整电压至需要幅值：3kv；

6)将控制移动平台的程序输入主机，程序通过控制模块控制移动平台和熔融静电打印喷头实现层层堆积得到三维微纳结构，打印层数为100层，即单次打印微纳结构高度为1mm，如图1所示；

7)待完成单次打印的三维微纳结构后，程序自动将熔融静电打印喷头切换到溶液打印喷头，溶液打印喷头将步骤2)中的明胶和琼脂糖混合溶液填充进步骤6)中所得的三维微纳结构，如图2所示；溶液填充高度稍微低于三维微纳结构的高度，以保证后续打印的三维微纳结构和该部分三维微纳结构能够充分粘连，将温度降低至18℃以下使其成胶，形成新的接收平台，将熔融打印喷头与接收平台之间的距离调高一个胶体的厚度：1mm；

8)根据控制移动平台的程序，自动重复步骤6)和步骤7)，直到三维微纳结构的高度达到所需高度：5mm，得到三维微纳结构与电介质溶以及水凝胶的复合结构，如图3所示；

9)将步骤8)中得到的复合结构放入50℃温水中浸泡2小时，便可以将明胶和琼脂糖去除，得到大高度三维微纳结构，三维微纳结构的高度大约为5mm，如图4所示。

技术特征：

技术总结
一种大高度微纳结构的三维熔融静电打印方法，先在计算机上编制出控制平台移动的程序，选择用于填充的含有导电介质溶液和熔融静电打印材料，并将其分别装入含多个喷头的熔融静电打印装置的注射器中,然后选择熔融静电打印参数，通过熔融静电打印得到设定厚度的三维微纳结构，将含导电介质溶液填充进三维微纳结构，利用温度交联和化学交联的方法使其成胶，使得熔融静电打印接收平台升高，将熔融打印喷头与接收平台之间的距离调高一个胶体的厚度，如此反复，直到三维微纳结构的高度达到所需高度，实现熔融静电打印大高度的三维微纳结构，本发明克服传统熔融静电打印工艺中电场随高度升高而衰减的缺点，可广泛应用于微纳米器件、组织工程等领域。

技术研发人员：贺健康;夏正勋;李涤尘;刘亚雄;王玲;连芩
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2017.04.26
技术公布日：2017.07.14