研究背景

微米到纳米尺度的颗粒是许多先进应用中普遍存在的关键组件，在生物工程、药物传递、微流体学、微电子学等领域具有广泛应用但现有方法在速度、可扩展性、几何控制、均匀性和材料性能方面存在一定的局限性。传统的颗粒制造方法包括铣削、乳化、成型和流动光刻等方法，但这些方法在形状和均匀性控制方面存在一定的限制。

关键问题

传统的粒子制造方法有2个缺点，包括：

有限的几何控制：自下而上的方法，如研磨、碾磨、乳化、沉淀、成核-生长和自组装技术，会产生异质颗粒群，对形状和均匀性的控制有限。自下而上的方法会产生具有不同特性的异质颗粒群，使制造的颗粒难以达到均匀性。

可扩展性有限：虽然一些自下而上的方法具有较高的生产能力，但要大规模生产具有精确几何要求的粒子，可能并不容易扩展。

这些缺点促使人们开发出自上而下的颗粒制造方法，以解决几何限制问题，实现对制造颗粒的形状、均匀性和可扩展性的更精确控制。

新思路

近日，美国斯坦福大学Jason M. Kronenfeld，Joseph M. DeSimone等介绍了一种可扩展、高分辨率的 3D 打印技术，用于基于卷对卷连续液体界面生产 (r2rCLIP) 制造特定形状的颗粒。他们使用高精度的光学器件与连续的薄膜卷（代替静态平台）相结合，从各种材料和复杂的几何形状中快速变换制造和捕获特定形状的颗粒，并成功打印出平面中最小的尺寸为2.0 × 2.0 µm²，无支撑厚度最小为 1.1 ± 0.3 µm。    

技术优势：

作者利用连续液体界面生产（CLIP）技术开发了快速、全自动的粒子打印工艺，并克服了三维打印中与颗粒粘附、分层和制造易碎绿色部件有关的挑战。作者展示了CLIP 在多种聚合物化学成分、功能化、填充物和多材料平台方面的多功能性，并实现了几何控制，以可扩展的方式制造 200 µm以下的微粒，并根据树脂进行分层控制，精确到个位数微米范围和 2.0 × 2.0 µm² 分辨率。

作者探索了不同材料和技术在三维打印中的应用，如折叠 PDMS 微流体通道、不同颗粒形状的密集悬浮液，以及可控微结构架构的智能制造策略。

研究内容

不同几何形状颗粒的制造工艺

连续液体界面生产（CLIP）是一种增材制造技术，它利用数字光处理技术，将二维图像投射到一桶光聚合树脂中，从而创建三维模型。该技术利用紫外线 LED 和数字微镜装置激活每个打印体素中的光引发剂，从而提高了分辨率和速度。CLIP 的与众不同之处在于，它在树脂和光学透明槽窗之间引入了一个氧气诱导的光聚合抑制 "死区"，从而实现了高通量速度，并可与各种聚合物化学成分和材料配合使用。高分辨率 CLIP 可用于制造 200 µm以下的颗粒，层间控制可低至个位数微米范围，xy 分辨率为 2.00 × 2.00 µm²。    

图1 r2rCLIP是具有复杂几何形状的粒子的快速制造工艺

电化学 HOR 和 HEMFC 性能

作者用模块化、连续薄膜、卷对卷系统取代了高分辨率 CLIP 打印机的传统静态构建板，从而实现了快速、完全自动化的颗粒打印过程。这样就可以实现半连续打印和自动化后处理，如清洁、后固化和颗粒收获，而无需任何人工干预。为了在打印过程中保持颗粒的附着力，我们使用了涂有铝的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜作为主要基底，这样在收获过程中就可以从薄膜上剥离而不会出现任何断裂。我们还构建了一个高分辨率 CLIP 设置，可在 xy 平面上生成具有个位数微米光学分辨率（2.00 × 2.00 或 6.00 × 6.00 µm²）的精细颗粒特征。体素的定义取决于垂直分辨率，而垂直分辨率取决于平台移动的可重复性（±0.12 μm）、光学装置的焦深（例如，2.00 × 2.00 µm2 装置的焦深为 30 μm）以及树脂的物理性质，如光的折射和衍射、穿透深度和凝胶化的临界曝光剂量。为了以最佳分辨率创建复杂的颗粒几何形状，作者使用了这种一种基于 1,6-己二醇二丙烯酸酯-1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯（HDDA-HDDMA）的系统和分析桥接技术来测量其固有特性，这比常用的玻璃载玻片法更为精确。    

图2 r2rCLIP适用于一系列高分辨率的内部和商业材料，具有高精度优化

r2rCLIP在制造复杂结构方面的潜力

作者讨论了r2rCLIP 在制造复杂结构方面的潜力。使用计算机辅助设计创建的设计包括无法成型的形状，突出了该方法的独特能力。几何形状的复杂程度可按范围进行分类，可成型的几何形状指的是可通过单轴模具拉伸、型芯和型腔一步成型的几何形状。r2rCLIP 方法允许仅根据优化的打印参数在阵列内或阵列间改变制造的几何形状，为粒子制造提供了灵活性。同时，还讨论了 r2rCLIP 的可扩展性，这是一种新的粒子制造技术，可以生产数千到数百万个粒子，而且具有很高的可重复性和速度。该技术涉及机械基底平移，无需耗时的人工操作步骤。r2rCLIP 的高产能使其适用于微型设备（如微型机器人和货物输送系统）的工业规模生产。该模块化工艺还可进行调整，以包括涂层、填充、灭菌和功能化等额外步骤。    

图3 r2rCLIP制造的可模塑和不可模塑几何形状的SEM图像

r2rCLIP制造颗粒的实际应用

r2rCLIP 系统可用于批量生产陶瓷微粒和水凝胶微粒，适用于电子、电信、医疗保健和药物输送等各种应用领域。通过使用不同的陶瓷前配方和加工条件，该系统可生产出不同尺寸和成分的颗粒。这些颗粒还可以用荧光团进行后功能化，以便更好地进行检测。该系统的机械和材料多功能性有助于材料和颗粒物理学的基础研究。该系统可容纳弱绿态颗粒，从而实现混合双固化系统，其中包含可在后处理中解决的非光致聚合成分。作者制作了单位尺寸为400微米的水凝胶立方体，在打印后手动填充约8升的代表性货物，然后在顶部盖上水凝胶盖。这为制造用于药物输送的水凝胶颗粒开辟了新的可能性。    

图4 通过r2rCLIP制造的颗粒可以实现一系列应用，包括陶瓷颗粒和药物输送

总结展望

总的来说，美国斯坦福大学Jason M. Kronenfeld，Joseph M. DeSimone等介绍了一种新颖的液体界面生产方法，它利用卷对卷技术实现了高分辨率和连续颗粒生产。这种技术能够制造出尺寸达 200 微米的颗粒，特征分辨率小至 2.0 微米，具有无与伦比的精度。打印机的光学设计和树脂优化使其能够创建具有个位数微米不支持 Z 分辨率的物体。这种方法还能实现快速可变性和复杂的三维制造，使其适用于各种树脂化学成分和颗粒几何形状，包括可模塑、多步骤可模塑和不可模塑形状。此外，这种技术还能在 24 小时内生产出克级颗粒，粒径小于 200 微米。这种方法的可扩展性使其适用于制造从陶瓷到水凝胶歧管等一系列材料，有望应用于微型工具、电子产品和药物输送等领域。

参考文献：

Jason M. Kronenfeld, Lukas Rother, Max A. Saccone, Maria T. Dulay & Joseph M. DeSimone*. Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles. Nature. (2024)    

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07061-4