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牺牲纤维，以实现该目标。第二步是利用图案化模板对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中的树脂抽除。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，初学者由于需要较高的手眼协调能力和视觉感知能力来操作纤维，因此在掌握该方法时会遇到困难。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学习，这些步骤需要手眼协调以及专用设备。开始纤维催化剂浸渍过程时，应使用定制的纺锤体和已知直径的聚乳酸纤维作为原料。

此处为200微米。将所需数量的纤维缠绕在纺锤体的下半部分（下四分之三处）。尽量减少纤维重叠，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One 30混合。盖紧瓶盖并振荡，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。接下来，将盖子固定在烧杯上，并将搅拌轴转速提高至 500 RPM。

在最初两小时内开始并维持此状态24小时。手动打碎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。

从混合器上取下纺锤并将其放入烘箱中，静置过夜干燥。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获取一对具有所需微血管图案的激光切割黄铜图案板。将这些板固定在夹持器上。

每个微通道使用一段10英寸长的含催化剂纤维。使用与纤维直径相同的板片去除纤维上残留的催化剂。用热熔胶枪的尖端将纤维边缘修成锥形。

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，将板拧紧到模具箱上。

安装板材时，确保纤维无扭曲。然后将纤维端部穿过定制张紧板的调音钉，并张紧PLA纤维直至绷紧。注意不要过度张紧，以免纤维断裂。

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间的任何气泡。完成后，在85摄氏度下固化该组件30分钟。

当模具冷却后，将黄铜板从模具盒上松开，注意不要弯曲金属板或用力过猛。将固化后的第一阶段结构从模具盒中取出。使用外径至少为纤维外径两倍的针头规格的皮下注射针，在RTV端帽上穿刺孔洞，并在针头保持就位的情况下，将纤维穿入孔中。

然后移除针头。孔的排列应与黄铜图案板相似，但分布得更为稀疏。接下来，将端盖固定到一个较大的模具箱上。

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。

将其置于210摄氏度的真空烘箱中24小时，或直至大部分PLA纤维已被去除。若仍有无法去除的PLA残留，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。

该方法可用于制备气体交换单元中所示的树脂微血管结构，顶部为整体结构示意图，左下角为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，通道之间的间隔可小于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。该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。右侧为泄漏的示例，当牺牲性纤维未被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，以及在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，并掌握该复杂流程中的常见问题排查方法。