Tredimensionell (3D) utskrift har en betydande roll i membranproduktion för vattenrening och bioseparation, med kapacitet att skapa nya och smart designade strukturer.
Bland de tillgängliga 3D-utskriftsmetoderna erbjuder strategin med direkt bläckskrivning en process för att skriva ut en mängd olika material med hög upplösning. I en ny rapport som nu publicerats på Scientific Reports , Farnaz Rezaei och ett team av forskare vid Uppsala universitet Sverige, använde cellulosaacetat som ett biokompatibelt bläckmaterial.
Forskarna noterade tryckbarheten och möjligheten att skriva ut funktioner så små som några mikrometer för att undersöka utvecklingen av cellulosaacetat med varierande molekylvikter. Munstyckets inre och yttre diametrar påverkade den detaljerade upplösningen av den tryckta strukturen. Forskarna använde olika bläck för att resultera i olika bredder av tryckta strängar och framgångsrikt avslutade direktskrivning med högupplösta cellulosastrukturer.
Additiv tillverkning
3D-utskrift eller additiv tillverkningsmetoder underlättar utvecklingen av komplexa 3D-strukturer genom lager-för-lager-avsättning av material på ett utvalt substrat genom att använda datorstödda designmetoder. Metoden har visat sin förmåga att producera strukturer med välreglerade intrikata geometrier, att erbjuda flera fördelar utöver konventionell biotillverkning och bilda komplexa geometrier.
Den kostnadseffektiva påhittigheten är en extra fördel med metoden. Dessa metoder är tillämpliga inom en mängd olika områden, inklusive läkemedelstillförsel, mikrofluidik och separationssystem, lämpade för avloppsvattenrening, biomedicinsk utrustning och membrankromatografi.
Efterfrågan på högupplösta detaljer har dock begränsat användningen av additiv tillverkning. Direktskrivning ger en spridningsbaserad metod för att avsätta det önskade bläckmaterialet genom ett munstycke på ett substrat och tillhandahålla en mängd utskrivbara material inklusive polymerer, hydrogeler, keramer och metaller.
Direkt bläckskrivning med cellulosaacetat
Cellulosa har väckt stor uppmärksamhet som ett legitimt råmaterial för 3D-utskriftstillämpningar på grund av dess utmärkta prestanda. Forskarna valde cellulosa i detta arbete på grund av dess förnybara, nedbrytbara och rikliga natur. Cellulosa är också en bioaktiv polymer, med bredare tillämpningar.
Rezaei och kollegor studerade membranstrukturerna inklusive vätningsegenskaper, bläcksammansättning och munstycksdiameter som påverkade tryckprocessen under denna studie. De undersökte påverkan av munstycksdimensionerna, som inkluderade de inre och yttre dimensionerna för att studera möjligheten att skriva ut strukturer med detaljupplösning på mikronnivå.
De använde borosilikatglaskapillärer för att förbereda munstyckena, formulerade bläcket för att fylla sprutan och satte upp utskrift för att skapa mönster, inklusive teststrukturer följt av att karakterisera kontaktvinkeln för bläck och undersöka dem med svepelektronmikroskopi.
För att utforska effekten av utskrift med kapillärer med olika diametrar, tryckte teamet 10 % cellulosaacetatbläck på ett obestruket glassubstrat för att undersöka fenomenet.
Genom att studera de olika bläckförhållandena uppnådde de varierad tryckbarhet och upplösning, sedan undersökte de mekanismerna för att reglera storleken på de tryckta strukturerna. Till exempel, direkt bläckskrivning innefattade blötning mellan bläcket och ytorna, påverkade tryckprocessen.
För att studera inverkan av faktorer som reglerar storleken på de tryckta strängarna, undersökte forskarna bläckets vätbarhet genom att inkludera olika mängder cellulosaacetat på belagda och obelagda glassubstrat.
Under direkt bläckskrivning påverkade vätningen mellan bläcket och materialytorna tryckprocessen. Rezaei och team studerade bläckets strukturer för att designa arkitekturer och observerade kapaciteten hos olika tryckmönster för att skapa en vägg eller en bro.
Outlook
På så sätt visade Farnaz Rezaei och kollegor möjligheten att bygga cellulosaacetatstrukturer på upp till 300 lager med en direkt bläckskrivmetod. Forskarna fick hög detaljupplösning genom att reglera munstyckesdimensionerna och tryckparametrarna, såväl som molekylvikten och koncentrationerna av cellulosaacetatet i bläcket.
Teamet noterade bläckets vätningsegenskaper på substratet och munstycket i kombination med bläcksammansättningen för att påverka strängens bredd. När de tryckte strukturer av membrantyp och frihängande trådar fick de bredder liknande eller mindre än munstyckets innerdiameter. För att uppnå önskad upplösning undersökte forskarna utskriftshastigheter i olika riktningar för att upprätthålla utökade utskriftstider för större strukturer.
För framtida arbete föreslår teamet att utforska designen av multimunstycken tillsammans med bläckstråleutskrift för att öka utskriftshastigheten.
Mer information: Farnaz Rezaei et al, Direct bläckskrivning av högupplösta cellulosastrukturer, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-49128-8
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
© 2023 Science X Network
