All-Aqueous Printing of Viscoelastic Droplets in 3D Space

3D 空间中粘弹性液滴的全水打印

基本信息

  • 批准号:
    2306012
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 31.95万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-03-15 至 2026-02-28
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Analogous to pixels of two-dimensional (2D) pictures, voxels –– in the form of small cubes or spheres –– are the basic building blocks of three-dimensional (3D) objects. In principle, the location, composition, and properties of individual voxels and voxel-voxel interactions can be precisely defined to match the artistry of biological tissues. Realizing voxelated bioprinting would dramatically expand the capability of existing 3D bioprinting technologies, which largely rely on the assembly of one-dimensional (1D) bio-ink filaments. However, it remains a grand challenge to generate, deposit, and assemble individual droplets on-demand in 3D space. This project seeks to establish the foundational knowledge and to provide a new way of precisely manipulating viscoelastic droplets in 3D space. The knowledge and tools will make a positive impact on particle synthesis, encapsulation, miniaturized soft robots, and tissue engineering. By providing opportunities for interdisciplinary research and organizing local scientific activities, this program will train students from diverse backgrounds to be next-generation scientific leaders in soft matter and complex fluids. Through outreach interactions with local high schools, the PI will leverage the vast number of high-speed videos generated from this project to increase the pipeline of underrepresented minority students in STEM fields.The research goal of this project is to elucidate the nonlinear fluid dynamics associated with all-aqueous printing viscoelastic droplets in yield-stress fluids. A printing platform will be developed to study the dynamics of droplet printing in real time. Moreover, a strategy will be developed to independently control the viscosity and relaxation time of inks. Using these tools and materials, three questions will be explored: (1) How to generate a viscoelastic droplet of good roundness without the help of interfacial tension? (2) What are the mechanisms for detaching the print nozzle from a viscoelastic droplet? (3) What are the parameters determining the roundness of a relaxed droplet? Corroborating experiments with theory and modeling, universal scaling laws will be developed to predict the dependence of droplet fidelity on printing conditions and the nonlinear rheological properties of inks. Finally, exploiting controlled polymer swelling, it will be printed 3D structures consisting of interconnected yet distinguishable hydrogel particles of different properties. These studies are expected to help establish the foundational science for voxelated bioprinting.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
类似于二维(2D)图片的像素,体素 - 以小立方体或球体的形式 - 是三维(3D)对象的基本构建块。原则上,可以精确定义各个体素和体素 - 素相互作用的位置,组成和特性,以匹配生物组织的艺术。实现体素的生物打印将大大扩展现有的3D生物打印技术的能力,这在很大程度上依赖于一维(1D)生物ink丝的组装。但是,在3D空间中产生,沉积和组装单个液滴仍然是一个巨大的挑战。该项目旨在建立基础知识,并提供一种精确操纵3D空间中粘弹性液滴的新方法。知识和工具将对粒子合成,封装,微型软机器人和组织工程产生积极影响。通过为跨学科研究和组织当地科学活动提供机会,该计划将培训来自潜水员背景的学生,成为软物质和复杂烟道领域的下一代科学领导者。通过与当地高中的外展互动,PI将利用该项目产生的大量高速视频,以增加STEM领域中代表性不足的少数族裔学生的管道。该项目的研究目标是阐明与产量压力液中的全水性印刷粘弹性液滴相关的非线性流体动力学。将开发一个打印平台,以实时研究液滴打印的动态。此外,将制定一种策略来独立控制墨水的粘度和放松时间。使用这些工具和材料,将探讨三个问题:(1)如何在没有界面张力的帮助下生成良好圆度的粘弹性液滴? (2)从粘弹性液滴中脱离印刷喷嘴的机制是什么? (3)确定放松液滴的圆度的参数是什么?使用理论和建模的佐证实验,将开发普遍的缩放定律,以预测液滴保真对印刷条件和墨水的非线性流变特性的依赖性。最后,利用受控聚合物肿胀,它将被打印出由不同性质的相互联系但可区分的水凝胶颗粒组成的3D结构。预计这些研究将有助于建立Voxelation Bioprinting的基础科学。该奖项反映了NSF的法定任务,并使用基金会的知识分子优点和更广泛的影响审查标准,被认为是通过评估而被视为珍贵的。

项目成果

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