Advanced Engineering Materials: 高速3D打印磁性微结构

磁驱微型机器人与执行器由于其非接触控制、快速响应及复杂环境适应等特性,在生物传感、药物靶向、微纳操作、微型手术等领域具有重要的应用前景。然而,现有磁驱微型器件主要通过电沉积、光刻等二维或准三维工艺制造,器件结构简单且磁响应性能较差,难以实现复杂功能与驱动控制,限制了其在生物医学等领域的应用与发展。

3D打印技术在复杂三维结构制造、快速个性化定制等方面具有独特优势,在复杂结构磁控微型器件制造中具有极大潜力,引发了国内外学者的高度关注。然而前期探索表明,由于液态光敏树脂中磁性粒子在重力及磁相互作用下极易发生聚集沉降,磁性树脂稳定性极差、难以实现高粒子含量(>10 wt.%)磁性微结构的可靠制造。同时,由于传统光固化3D打印过程逐层堆叠所导致的层间“台阶效应”,微结构均一性差、难以满足微纳尺度器件制造需求。

针对上述问题,美国西北大学孙诚教授团队与哈尔滨工业大学李隆球教授团队合作,提出了一种基于微连续液态界面成形技术(Micro-continuous Liquid Interface Production, μCLIP)的磁性微结构3D打印方法。一方面,通过材料优选与高、低粘度树脂单体(粘度分别为1115 cps、55 cps)比例优化,首次研制出三维空间内稳定保存的高粒子含量(Fe3O4纳米粒子,30 wt.%)微纳结构磁性光敏树脂。该树脂在室温下可保持稳定72小时以上,在4 ℃低于树脂熔点温度下可长期保存,显著提升了磁性光敏树脂磁响应性能与稳定性。另一方面,使用微连续液态界面成形技术进行高速连续3D打印,通过工艺优化,将打印速度提升至现有磁性微结构3D打印速度的32倍以上,制造1 cm高器件仅需2.1小时、远低于树脂稳定保存时间,同时直接消除了传统打印逐层堆积所导致的“台阶效应”,器件结构一致性得到保证。此外,针对高粒子含量光敏树脂能量吸收与散射严重、初始固化层难以与制造基底粘接的问题,提出了一种使用低吸收率树脂作为牺牲层的创新方法,有效提升了高粒子含量光敏树脂3D打印的可靠性。

采用上述新型磁性光敏树脂与微连续液态界面成形技术,研究团队成功打印出微型船体模型与镂空球壳结构,在永磁铁的牵引下进行游动或滚动,表现出极强的磁响应性能(视频地址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adem.201900911,Supporting Information)。进一步测试表明,在整体高度约1 cm的器件打印中,可实现对≤75 μm特征结构的可靠制造。通过对打印工艺的进一步优化,有望实现对10 μm特征的可靠制造,以满足更小尺寸磁控微器件的制造需求。

该研究首次实现了高粒子含量磁性微结构高速3D打印,彻底解决了传统电沉积、光刻等方法所制备的磁控微型器件结构简单、磁响应性能差的问题,为复杂结构微型磁控器件制造提供了一种可行方案。此外,结合多材料3D打印、梯度材料3D打印等方法与工艺,将实现更为复杂结构与功能的微型磁控器件制造,如微型磁控机械爪应用于细胞三维操控与微纳器件装配、微型磁控机器人应用于体内遥控微创手术等,在生物工程、微纳制造、生物传感等领域具有重要的应用前景。

上述研究近期发表于期刊Advanced Engineering Materials(DOI: 10.1002/adem.201900911),并被选为当期刊物前内封面。孙诚教授与李隆球教授为论文共同通讯作者,论文第一作者为博士生邵广斌。

图注:3D打印复杂磁性结构。左侧:“花瓶”状3D复杂磁性结构吸附在永磁铁上。外部网格高9 mm、最大直径5 mm,内部包络磁性微结构;右侧:内部微结构SEM图像,最小特征宽度75 μm。