“技术”中国科大在多界面液滴打印方面取得重要进展

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近日，中国科学技术大学工程科学学院朱志强特任副研究员、司廷教授和徐晓嵘教授提出了一种可编程脉冲气动打印方法，建立了多界面液滴制备的理论预测模型，实现了宽Z数多界面液滴的可控打印。相关成果以“Programmable pulsed aerodynamic printing for multi-interface composite manufacturing”为题，5月17日在线发表于国际学术期刊《Matter》上。

软物质的图案化在生物学、医学、化学、材料科学和工程等领域具有重要应用。液滴微流动通过对微尺度流体运动进行操作、检测或控制，可以精准制备多种软材料的液滴，并能够精确控制液滴的大小、结构和组成。因此，基于液滴微流动的打印技术是一种有效软物质图案化的策略。在该技术中，液滴的物性参数、结构特征以及运动状态等对液滴与界面（即液体或固体表面）之间的相互作用以及最终图案的形成至关重要，从而衍生出人造细胞、药物输送、微型机器人和3D打印等应用。近年来，研究团队在液滴微流动方面取得了较大进展，自主开发了复合流动聚焦、复合界面剪切等多种先进微流动技术，揭示了复杂界面流动与调控机理[Chemical Engineering Journal, 433: 134495,2022;Materials Horizons, 8: 1756-1768, 2021；Lab on a Chip, 20: 1249-1258, 2020；Journal of Fluid Mechanics, 936: A6, 2022；Journal of Fluid Mechanics, 954: A46, 2023]。然而，可控打印宽Z数范围（与奥内佐格数成反比，度量流体粘性力与惯性力和表面张力的相互关系，反映了液滴制备的材料适用性、灵活性等特征）的多界面液滴仍然面临着很大挑战。

研究团队基于脉冲流动瞬时冲击流体界面产生强剪切力可控生成均匀液滴的原理，从流体界面失稳和液滴产生机制入手，提出了一种新的基于脉冲气流的液滴打印方法，命名为可编程脉冲气动打印（Programmable Pulsed Aerodynamic Printing，PPAP）技术。该技术可控性强、灵活性高以及适用性广，克服了传统液滴打印技术的局限性。作为一种主动施力方法，在外部脉冲气流作用下打印液滴具有尺寸小、频率高以及Z数范围宽等优势。此外，毛细管具有可嵌套、易于集成化等特点，因此PPAP的共流构型可实现多界面液滴的打印，敞开式的装置结构也有利于液滴的接收和固化成形。评审人评价“The reviewer finds this work very impressive due to its rigorous theoretical and experimental conduction and its various application cases”；“This work is interesting and solid”；“While the formation of multi-compartment droplets has been widely reported, their combination with 3D printing is not prevalent”（“审稿人认为这项工作的理论和实验很严谨，应用案例丰富，给人留下了深刻的印象”；“这项工作很有趣，也很扎实”；“虽然多室液滴的形成已被广泛报道，但其与3D打印的结合并不常见”）。

研究团队建立了多界面液滴制备的理论预测模型，揭示了PPAP实现宽Z数液滴打印的力学机理。通过数值模拟结合高速图像分析，展示了液滴形成过程的稳定性和可重复性。研究团队证明了PPAP的广泛的材料适用性，实现了不同尺寸的液滴的连续和可编程化打印，并可广泛用于各种乳液、微颗粒以及微胶囊的精准制备。研究团队进一步展示了PPAP技术在细胞封装、药物传输、柔性电路和3D亚体素微结构等领域的应用潜力。由于液滴生成空间较为开放，颗粒的制备过程无需油相驱动和添加表面活性剂，从而解决了传统载细胞微颗粒制备过程复杂的痛点。利用PPAP技术的气流强剪切作用，研究团队实现了液态金属柔性电路的可控制造，拓宽了液态金属的应用范围。同时，基于PPAP技术的可扩展性和主动可编程性，成功获得了智能响应性微胶囊梯度阵列。最后，研究团队利用三维运动平台，成功制备了3D亚体素微结构。

研究团队的朱志强特任副研究员为论文的第一作者，司廷教授和徐晓嵘教授为通讯作者，黄芳胜博士、穆恺博士和硕士生陈天傲为共同作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青促会优秀会员、省重点研发计划等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.04.017

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