利用牺牲组分汽化法制备三维微结构的过程

本实验的总体目标是构建三维微血管结构。首先，通过将草酸亚锡掺入聚乳酸纤维中，制备可牺牲纤维；第二步，利用图案化模板对这些纤维进行三维图案化排列。

接下来，将纤维浇铸到包埋树脂中。最后一步是在加热和真空条件下将纤维从树脂中抽出。最终，该微血管系统可用于多种用途，包括热交换、物质传输以及自修复系统。

通常，初次接触该方法的人员会因操作纤维所需的手眼协调能力和视觉感知能力要求较高而遇到困难。该方法的视觉演示至关重要，因为纤维的化学处理以及图案板的穿线过程较难掌握，需要手眼协调和专用设备。使用定制的纺锭和已知直径的聚乳酸纤维开始纤维催化剂灌注过程。

此处为 200 微米。将所需量的纤维缠绕在纺锤体的下半部分。减少纤维重叠，以在可密封的瓶中提供最大的表面积暴露。

将400毫升去离子水与40毫升去垢剂混合。一瓶30。盖紧瓶盖并摇匀，直至获得均一溶液。

接下来，将一个1000毫升的烧杯放入37摄氏度的水浴中。向烧杯中加入400毫升三氟乙醇。将水分散溶液加入烧杯中，并搅拌至均匀。

向混合物中加入一克孔雀石绿或其他染料，搅拌至完全溶解。然后，将转子安装到数字搅拌器上，并调节高度，使转子距离容器底部半英寸。将搅拌器转速设为 400 RPM，开始缓慢搅拌。

向混合物中加入 1.3 克草酸亚锡催化剂。使用氢氧化钠调节混合物的 pH 值，直至 pH 值约为 6.8 至 7.2。接着，将杯盖固定好，并将搅拌转速提高至 500 转/分钟。

在最初两小时内开始并维持此状态24小时。手动打散生成的草酸亚锡团聚物。24小时结束后，将烘箱预热至35摄氏度。

将纺锤从混合器上取下并放入烘箱中，过夜干燥。至少干燥八小时后，从烘箱中取出纺锤，将纤维从纺锤上解下。

从纤维中去除多余的催化剂。微血管气体交换单元的制备首先需要获取一对具有理想微血管图案的激光切割黄铜图案板。将这些板固定在夹具上。

每个微通道切割一段10英寸长的含催化剂纤维。使用与纤维直径相同的金属片去除纤维上残留的催化剂。用热熔胶枪的尖端对纤维边缘进行锥形处理。

通过缓慢挤出光纤尖端来完成此操作。完成后，将光纤穿过黄铜图案板对中对应的孔。接下来，将板固定到模具箱上。

固定板材时，确保纤维无扭曲。然后将纤维末端穿过定制张力板的调音钉，拉伸PLA纤维至绷紧。注意避免过度拉伸导致纤维断裂。

使用压缩空气去除纤维图案中的多余颗粒物。然后将聚二甲基硅氧烷基料与其固化剂按10:1的体积比混合，将混合物放入干燥罐中。在真空条件下对混合物脱气10分钟。

将PDMS混合物倒入模具盒中，但不要直接倒在纤维上。使用26号针头去除模具盒内或纤维之间的任何气泡。完成后，在85摄氏度下固化组装件30分钟。

当模具冷却后，松开模具盒上的黄铜板，注意不要弯曲板材或用力过猛。将已固化的第一阶段产物从模具盒中取出。使用规格至少为纤维外径两倍的注射针头，在RTV端盖上穿孔，并将纤维穿过带针头的孔。

然后移除针头。孔的排列应与黄铜图案板相似，但分布更为稀疏。接下来，将端盖固定到较大的模具箱上。

倒入第二层PDMS，并去除任何残留的气泡。再次在85摄氏度下固化30分钟。第二次固化后，剪去样品上多余的PLA纤维。

将样品置于真空烘箱中，在 210 摄氏度下加热 24 小时，直至大部分 PLA 纤维被去除。若仍有残留的 PLA 无法清除，可注入 1 毫升氯仿以溶解微通道中剩余的物质。至此，完成该单元的制备。

该方案提供了一种用于在树脂中制造微血管结构的方法，如图顶部所示的气体交换单元。左下角为该结构某一段的细节图。

使用染料是为了提高视觉清晰度。右侧为用于创建微通道的200微米和300微米孔的六边形排列。微通道完全中空，通道之间间隔可小于50微米。

微血管网络的结构仅受限于可牺牲纤维所能形成的结构。微通道内可能出现泄漏和堵塞现象。在此气体交换单元的左侧存在一个堵塞。

这些残留物通常可用溶剂去除。右侧是泄漏的示例，当牺牲纤维未彻底清洗或张力不足时便会形成此类问题。一旦掌握，该技术可在45分钟内完成纤维制备，60分钟内完成微血管单元的构建。

观看本视频后，您应能充分理解如何制备牺牲纤维以构建三维结构，并掌握该复杂过程中的常见问题排查方法。