韩国延世大学机械工程学院WonHyoung Ryu教授团队和本校的化学与生物分子工程学院Byeongseok Ryu和Won-Gun Koh，共同研究探讨了使用电流体动力（EHD）打印技术在三维聚合物结构上打印生物可降解的PLGA（polylactic-co-glycolic acids）微图案。通过优化PLGA墨水配方和EHD打印操作条件，实现了在导电和非导电基板上稳定打印尺寸小至5微米的PLGA微图案。

介绍

聚乳酸-乙醇酸共聚物 (PLGA)，用于各种植入式设备，例如组织支架、药物输送装置和不同形式的生物传感器。这些应用通常要求聚合物具备良好的生物相容性和在体内可控的降解速率。在医疗植入物和药物输送系统中，对材料进行高分辨率的微米甚至纳米级图案化是至关重要的。这可以提高植入物与生物组织的交互质量，以及实现药物释放的精确控制。

尽管已有技术如3D打印、激光切割和微模塑等能够制造出一定规模的结构，但这些技术在控制单个结构的大小和位置上存在挑战，难以满足微尺度精确图案化的需求。EHD打印技术允许在微米到纳米尺度上对聚合物溶液进行精确的图案化，提供了对打印图案大小和位置的精确控制。然而，PLGA墨水的挥发性导致在打印过程中喷嘴容易堵塞，造成打印失败，这限制了EHD打印技术在PLGA上的应用。

图1  电流体打印示意图。a)是针对导电基板的；b)是针对非导电基板并带有环形电极的。

鉴于EHD打印在实现高分辨率图案方面的潜力，以及PLGA在医疗植入物中的广泛应用，研究者探索了如何克服PLGA墨水的不稳定性，优化EHD打印过程，以实现在各种基底上稳定、高分辨率的PLGA微图案打印。

将甘油添加到 PLGA 溶液中，使其浓度为 0 至 20% (v/v)。PLGA 油墨溶液中甘油浓度分别为 0、5、10 和 20% (v/v%) 时，添加甘油使油墨粘度分别从 3.23、4.26、5.03 和 7.70 cP 变化。为了评估甘油对抑制溶剂蒸发的影响，我们使用不同甘油浓度的 PLGA 墨水，每隔 6 小时在硅片基材上进行 EHD 打印。每种溶液施加的电压为 0.695 kV，频率为 2 Hz。当 PLGA 墨水在制备后立即进行 EHD 打印（新打印的图案）时，甘油浓度高达 10% (v/v) 的 PLGA 墨水以稳定的方式打印（图 2）。然而，进一步增加 PLGA 墨水中的甘油含量（20%，v/v）会因粘度增加而导致印刷失败（无印刷区域）。

影响 6 小时后的 EHD 打印结果。如图 2 所示（底部行），不含甘油的 PLGA 墨水在喷嘴弯月面处干燥，EHD 打印停止。6 小时后，使用 5% 甘油墨水，可以进行 EHD 打印，而 PLGA 图案尺寸与新鲜溶液相比有所减小。与新制备的油墨的结果相比，仅 10% 甘油 PLGA 油墨显示出几乎相同的图案印刷。进一步增加甘油浓度要么无法产生稳定的喷射条件，要么在短喷射后无法继续打印。对于其余的实验，我们使用浓度为 10% 的甘油来优化墨水溶液。

图3展示了传统的方波电压脉冲在EHD打印中会导致液滴生成不稳定，产生多次喷射，从而形成不希望出现的卫星液滴。

图4  用于控制卫星液滴的脉冲电压剖面示意图。在硅晶圆上通过EHD打印得到的图案：b) 采用普通方波脉冲（0.7 kV），c) 采用逐渐增加的脉冲（GIP），其中高电平电压 Vhp 为0.7 kV，低电平电压Vlp 为 Vhp 的25%。（比例尺：50微米）

图5  低电平电压 Vlp 对卫星图案形成的影响。PLGA图案在低电平电压Vlp 分别为 a) 0%，b) 25%，c) 50%，d) 75% 高电平电压Vhp 时的光学图像。e) 单位面积内图案数量与 Vlp 的关系图。所有实验中 Vhp 均为0.7 kV。（比例尺：50微米）* 每个数据点均表示带标准误差条的平均值（n=3）（*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001）

由图4可以看出，通过调整电压脉冲的形状，特别是采用逐渐增加的脉冲（GIP），可以有效控制电压过冲，从而减少卫星液滴的形成。

研究者还发现，当初始电压（Vlp）设置为峰值电压（Vhp）的25%时，可以获得最佳的打印效果，此时卫星液滴的形成最小。随着Vhp的增加，打印出的图案大小也会增加。当Vhp从0.6增加到1.0 kV时，图案直径从约3微米增加到5.5微米。（图5、6所示）

上图的实验结果可以看出通过改变脉冲频率和基底速度，可以精确控制打印图案的密度。脉冲频率越高，图案越密集；基底速度越低，图案间的距离越小。

结论

通过优化PLGA墨水的配方和电压输入配置，研究者成功实现了在导电和非导电表面上稳定打印PLGA微图案，图案尺寸可达5微米。此外，通过调整电压输入参数，可以精确控制图案的大小和密度，为开发新型药物输送设备提供了有力的技术支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202400230