华中科技大学臧剑锋教授《自然·通讯》：磁场驱动3D打印，实现微创原位打印！

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近年来，3D打印的发展如火如荼，从基于挤出式的熔融沉积和墨水直写，到基于光投影的光固化，成型方法和机理纷繁多样。但现有的3D打印方法对打印的空间具有高度的依赖性，基于路径移动的打印方法需要保持移动空间与材料空间的一致性；基于投影式的打印方法由于能量的高耗散性，无法有效穿透物体。

针对上述问题，华中科技大学臧剑锋教授团队与合作者提出，将磁控软体机器人的优势应用于3D打印，结合磁场高穿透性与软材料的大变形特点，由磁场将外部路径的运动映射到具有大变形能力的软体机器人上。通过非接触式3D打印，打破空间的限制。磁控软导管机器人末端可在体内导航定位，由导管机器人内部通道进行体外到体内的材料递送，进而完成体内微创原位打印（入口处2~4 mm,打印面积0~27 cm²）。该工作成功的实现了磁控3D打印，2021年8月20日，以“Ferromagnetic Soft Catheter Robot for Minimally Invasive Bioprinting”为题发表于Nature Communications期刊。硕士研究生周成和羊佑舟为论文共同第一作者。

图1 用于微创生物打印的磁控系统组成

磁软导管机器人(FSCR)打印系统主要由软体机器人给料系统和磁场定位系统组成。

给料系统由软导管机器人构成。软导管机器人以硅胶弹性体为基质，内部均匀分散硬磁颗粒，通过脉冲磁场磁化后，软导管机器人表现为具有特定磁极方向的磁导管，可在外部磁场下实现可控移动。在导管内部嵌有多股PLA细丝编织的网状套管，该套管可有效增强软导管机器人的径向刚度，改善由内部流体导致的导管径向形变，降低在给料过程中带来的材料挤出响应的不及时性。

图2 用于微创生物打印的磁软导管机器人设计

磁场定位系统由外部叠加磁场和磁软导管内部磁场耦合而成。外部叠加场由多块磁极（磁极数为四）相对的永磁铁围成，类似麦克斯韦线圈布置。由于场分布的对称性，该叠加磁场几何中心处沿 z 轴具有 B_x=B_y=0。磁导管与 z 轴平行布置，导管末端与叠加磁场几何中心重合时，磁软导管机器人处于平衡状态（初始状态）。在叠加磁场的整体移动下，磁力矩和磁梯度力作用于场内的磁软导管，产生弯曲。在该特殊场布置下，磁软导管的自由端会被限制在几何中心附近，实现跟随运动。通过建立外部叠加磁场和内部磁软导管自由端的对应关系，可以建立与通用打印机相同的控制运动逻辑，实现自动化控制磁导管的非接触式移动。

图3 磁控系统的设计

该工作利用磁控打印系统将弹性硅胶和导电银浆（粘度~340 Pa·s）在平面上打印成各种图案或功能性器件，如六瓣花、方形螺旋、3D 管、 3D 支架和无线供电模块。为了展示微创原位生物打印在曲面上的有效性，研究人员通过预先对目标位置扫描建模，并以微创方式成功在麻醉活鼠肝脏表面打印导电水凝胶图案。

图3 磁软导管机器人体外打印

图4 磁软导管机器人实现微创体内打印

课题组简介：

华中科技大学臧剑锋教授课题组依托光学与电子信息学院、武汉光电国家研究中心，面向医疗健康重大需求开展多学科交叉的智能软材料与器件研究，包括医用水凝胶，新型增材制造技术，微创磁控软体机器人，柔性智能传感。课题组长期招聘博士后，接收电子、光电、机械、材料、物理、化学等方向直博、申请考核博士申请，保送研究生。招生专业：华中科技大学光学与电子信息学院微电子学与固体电子学专业。

教师个人主页：

http://faculty.hust.edu.cn/zangjianfeng

论文链接：

https://rdcu.be/cvA9K

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来源：高分子科学前沿

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