最新《Nature》：动态界面3D打印

导读：体积生物打印是生物医学工程的前沿技术，预计将在再生医学、组织工程和高速原型制作等领域实现变革性应用。虽然传统的生物3D打印技术有效，但在分辨率、速度和材料兼容性方面受到限制，通常需要复杂的支撑结构和专门的化学环境。为了克服这一局限性，墨尔本大学的研究人员开发了动态界面打印（DIP）技术。

2024年11月4日，据资源库了解，动态界面打印（DIP）利用受限的气液界面和调制光，能够快速实现无支撑的高分辨率生物打印结构，而无需依赖专门的化学或光学反馈系统。它还能与多种材料兼容，包括软水凝胶和生物相关水凝胶。相关论文以“Dynamic interface printing”为题于2024年10月30日发表在《Nature》上。

这种新方法解决了传统生物打印的一些长期局限性。例如，立体光刻能够实现高分辨率，但需要逐层构建，导致流程速度较慢，并需频繁调整部件位置以补充材料。计算轴向光刻（CAL）通过旋转小瓶光聚合物并在相交的光投影下暴露来提供更快的体积打印。然而，CAL依赖氧气消耗来控制聚合，这使其对所用聚合物类型及其固化剂量非常敏感。其他基于光的打印方法（如xolography）利用双波长光化学在软材料中创建3D结构，但需要复杂的光学设置，从而限制了材料的兼容性。

图1. DIP示意图

动态界面打印（DIP）是以空心打印头为中心，打印头底部开口，顶部有透明玻璃窗，实现对打印界面的高度控制。当打印头浸入液态预聚物溶液中时，它会捕获气泡，在打印头末端形成气液弯月面。该弯月面作为打印界面，通过玻璃投射的可见光在此形成结构。通过调节内部气压并利用声波，该系统能够微调弯月面的位置和曲率，促进材料传输和均质化，从而实现高速、无层的3D打印。

图2. DIP系统的特性

与DIP兼容的材料范围广泛，包括柔软的、生物相关的水凝胶、合成聚合物以及载有细胞的预聚物。例如，常用的生物打印材料如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和明胶甲基丙烯酰（GelMA）可在DIP的设置中无缝使用。由于打印过程快速且沿界面施加的剪切力最小，该技术能够将细胞活力保持在高水平（通常约为93%）。
凸面切片是DIP独特功能的核心机制，与3D打印中的传统平面切片方法不同。传统方法将3D模型分解为一系列平面的二维（2D）图像，而DIP利用打印头尖端的弯曲弯月面来创建凸面界面。为了匹配这一弯曲界面，DIP使用一种算法对3D模型进行切片，将标准平面切片转换为符合弯月面轮廓的图像。

图3. DIP中的声学调制

DIP的核心优势是其声学调制系统。通过使用声波控制弯月面的位置，DIP能够精确调整材料流动，从而改善打印质量和界面上的材料分布。声学调制在气液边界处诱发毛细管重力波，产生稳定的流体流动，使材料浓度均匀化并减轻沉淀问题，这在使用载细胞水凝胶和其他生物复合材料进行3D打印时尤为常见。
与传统立体光刻技术相比，DIP的无层方法显著加快了打印速度。DIP的流速可达约4倍，结合声学调制后流速提升至10倍。DIP允许在界面上调制生成毛细管重力波，使材料流动均匀，避免颗粒沉积。通过精确的界面调制，DIP在低透明材料（如含细胞水凝胶）中减少了散射和光吸收，实现了30-100μm的分辨率结构。

图4. DIP功能

最近的一项实验成功制造了一种复杂的肾脏状水凝胶结构，内含人类胚胎肾细胞，展示了DIP在快速生物制造中的潜力。
研究人员表示，可以预见，未来将开发出DIP的进一步模式或应用，包括将声学驱动的传输系统直接集成到打印头上或实现内部顺序多材料切换。未来的研究还可以进一步表征和预测声学图案的参数空间，通过建模和利用底层结构，或设计打印头边界拓扑，来生成所需的声场，以探索更复杂的图案策略。此外，还将扩展到更高的数值孔径将促进快速微尺度制造。
文章来源：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9