[发明专利]一种基于自激发静电场驱动熔融喷射3D打印制备导电生物支架的方法

说明书

本发明公开了一种基于自激发静电场驱动熔融喷射3D打印制备导电生物支架的方法，使用碳纳米材料/高分子聚合物复合材料利用自激发静电场驱动，打印制备导电生物支架，所使用打印设备通过位于喷嘴肩部缠绕的导电贴片与高压直流电源相连接，作为提取电极，实现了高分辨率稳定打印，也避免了高电压通过导电复合材料与微型螺杆相邻而产生的短路问题。

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种基于自激发静电场驱动熔融喷射3D打印制备导电生物支架的方法。

背景技术

聚合物基复合材料(PMC)，通过添加各种纳米材料，诸如一维纳米材料(如碳纳米管、纳米线、纳米纤维等)、二维纳米(如石墨烯等)、三维纳米(如纳米球、纳米晶粒等)，具有更加卓越的综合性能。目前已广泛应用于航空航天、汽车、生物医疗和组织工程、电子、新材料、能源、可穿戴设备、柔性传感器、机器人等诸多领域，展示出巨大和广阔的工业化应用前景。

近年发展起来的3D打印技术为PMC的制备和成型提供了一种全新的解决方案。国内外研究人员已经提出多种基于3D打印PMC的成型工艺，主要包括：熔融沉积成型、墨水直写、立体光固化成型和数字光处理成型、选区激光烧结以及静电纺丝等。其中，熔融沉积成型工艺因其制造成本低、零件强度高等特点成为目前最流行的PMC打印方式之一，已广泛应用于ABS塑料、聚乳酸等热塑性聚合物基复合材料。然而，由于FDM打印是基于长丝状的挤出成型，在复合长丝的生产过程中，难以实现增强材料的均匀分散。同时，FDM由于喷嘴和成型特点的限制，难以实现高分辨率(50微米以下)PMC成型，尤其是无法实现宏/微结构跨尺度制造等挑战性难题。

专利201910204502.9提出一种基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印新工艺，通过结合微型螺杆混合搅拌、电场驱动熔融喷射、四级加热等，实现了聚合物复合结构的高分辨率打印以及宏/微结构跨尺度高效制造。但是该方法采用喷嘴，由于复合材料导电，存在整个微型螺杆以及系统容易与喷嘴上的高压电相连，从而导致打印系统短路的问题。

ZL201710528176.8公开了一种电场驱动喷射沉积3D打印装置，该方法仅使用一个接电的环形提取电极提供所需电场，不需要接地的对电极，并且环形电极不与喷嘴直接接触，突破了现有材料喷射沉积3D打印在打印材料、喷嘴材质、衬底材质等方面的限制，但是依旧存在一些问题，在实际使用中难以保证环形电极与喷嘴高精度同心，影响高精度打印时电场的稳定性，影响打印结果精度。申请人发现由于提取电极为平板型电极，中心设置为圆形通孔，其壁厚即外径和中心圆孔之间的距离较大，并且提取电极的内径与喷嘴外壁不贴合，导致电场聚焦效果不理想，且喷嘴正下方的电场强度较低，影响高精度打印的高稳定电场需求。

发明内容

为了克服上述技术的不足，本发明提供了一种基于自激发静电场驱动熔融喷射3D打印制备导电生物支架的方法，使用碳纳米材料/聚合物复合材料，在绝缘衬底上，实现了线宽为15-50μm，单层孔径40-200μm，双层交错孔径为20-100μm的10-100层的导电生物支架的稳定打印，添加了质量分数为5wt％石墨烯的PLA材料打印得到的支架电导率可达到0.60S/m。

一种基于自激发静电场驱动熔融喷射3D打印制备导电生物支架的方法，包括以下步骤：

步骤1：制作内径为10-150μm玻璃喷嘴，将玻璃喷嘴安装于喷头上；制作厚度为30μm-2mm，高度为1mm-3mm的导电贴片，将导电贴片紧紧贴附缠绕固定在玻璃喷嘴肩部形成提取电极，导电贴片底部与衬底距离0.5mm-2.5mm；

步骤2：打印初始化，将热塑性聚合物颗粒和碳材料粉末按配比配制成均匀的混合物，混合均匀后开启所有加热单元，达到设定温度，打印喷头处于待机状态，完成整个打印设备的准备和初始化工作；将电源与导电贴片相连，喷嘴移动到初始打印位置，设定喷嘴与衬底之间的距离；