導(dǎo)讀：體積生物打印是生物醫(yī)學(xué)工程的前沿技術(shù)，預(yù)計(jì)將在再生醫(yī)學(xué)、組織工程和高速原型制作等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革性應(yīng)用。雖然傳統(tǒng)的生物3D打印技術(shù)有效，但在分辨率、速度和材料兼容性方面受到限制，通常需要復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)和專(zhuān)門(mén)的化學(xué)環(huán)境。為了克服這一局限性，墨爾本大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)界面打印（DIP）技術(shù)。

2024年11月4日，據(jù)資源庫(kù)了解，動(dòng)態(tài)界面打?。―IP）利用受限的氣液界面和調(diào)制光，能夠快速實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐的高分辨率生物打印結(jié)構(gòu)，而無(wú)需依賴(lài)專(zhuān)門(mén)的化學(xué)或光學(xué)反饋系統(tǒng)。它還能與多種材料兼容，包括軟水凝膠和生物相關(guān)水凝膠。相關(guān)論文以“Dynamic interface printing”為題于2024年10月30日發(fā)表在《Nature》上。

這種新方法解決了傳統(tǒng)生物打印的一些長(zhǎng)期局限性。例如，立體光刻能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率，但需要逐層構(gòu)建，導(dǎo)致流程速度較慢，并需頻繁調(diào)整部件位置以補(bǔ)充材料。計(jì)算軸向光刻（CAL）通過(guò)旋轉(zhuǎn)小瓶光聚合物并在相交的光投影下暴露來(lái)提供更快的體積打印。然而，CAL依賴(lài)氧氣消耗來(lái)控制聚合，這使其對(duì)所用聚合物類(lèi)型及其固化劑量非常敏感。其他基于光的打印方法（如xolography）利用雙波長(zhǎng)光化學(xué)在軟材料中創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，但需要復(fù)雜的光學(xué)設(shè)置，從而限制了材料的兼容性。

圖1. DIP示意圖

動(dòng)態(tài)界面打?。―IP）是以空心打印頭為中心，打印頭底部開(kāi)口，頂部有透明玻璃窗，實(shí)現(xiàn)對(duì)打印界面的高度控制。當(dāng)打印頭浸入液態(tài)預(yù)聚物溶液中時(shí)，它會(huì)捕獲氣泡，在打印頭末端形成氣液彎月面。該彎月面作為打印界面，通過(guò)玻璃投射的可見(jiàn)光在此形成結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部氣壓并利用聲波，該系統(tǒng)能夠微調(diào)彎月面的位置和曲率，促進(jìn)材料傳輸和均質(zhì)化，從而實(shí)現(xiàn)高速、無(wú)層的3D打印。

圖2. DIP系統(tǒng)的特性

與DIP兼容的材料范圍廣泛，包括柔軟的、生物相關(guān)的水凝膠、合成聚合物以及載有細(xì)胞的預(yù)聚物。例如，常用的生物打印材料如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和明膠甲基丙烯酰（GelMA）可在DIP的設(shè)置中無(wú)縫使用。由于打印過(guò)程快速且沿界面施加的剪切力最小，該技術(shù)能夠?qū)⒓?xì)胞活力保持在高水平（通常約為93%）。

凸面切片是DIP獨(dú)特功能的核心機(jī)制，與3D打印中的傳統(tǒng)平面切片方法不同。傳統(tǒng)方法將3D模型分解為一系列平面的二維（2D）圖像，而DIP利用打印頭尖端的彎曲彎月面來(lái)創(chuàng)建凸面界面。為了匹配這一彎曲界面，DIP使用一種算法對(duì)3D模型進(jìn)行切片，將標(biāo)準(zhǔn)平面切片轉(zhuǎn)換為符合彎月面輪廓的圖像。

圖3. DIP中的聲學(xué)調(diào)制

DIP的核心優(yōu)勢(shì)是其聲學(xué)調(diào)制系統(tǒng)。通過(guò)使用聲波控制彎月面的位置，DIP能夠精確調(diào)整材料流動(dòng)，從而改善打印質(zhì)量和界面上的材料分布。聲學(xué)調(diào)制在氣液邊界處誘發(fā)毛細(xì)管重力波，產(chǎn)生穩(wěn)定的流體流動(dòng)，使材料濃度均勻化并減輕沉淀問(wèn)題，這在使用載細(xì)胞水凝膠和其他生物復(fù)合材料進(jìn)行3D打印時(shí)尤為常見(jiàn)。

與傳統(tǒng)立體光刻技術(shù)相比，DIP的無(wú)層方法顯著加快了打印速度。DIP的流速可達(dá)約4倍，結(jié)合聲學(xué)調(diào)制后流速提升至10倍。DIP允許在界面上調(diào)制生成毛細(xì)管重力波，使材料流動(dòng)均勻，避免顆粒沉積。通過(guò)精確的界面調(diào)制，DIP在低透明材料（如含細(xì)胞水凝膠）中減少了散射和光吸收，實(shí)現(xiàn)了30-100μm的分辨率結(jié)構(gòu)。

圖4. DIP功能。

最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成功制造了一種復(fù)雜的腎臟狀水凝膠結(jié)構(gòu)，內(nèi)含人類(lèi)胚胎腎細(xì)胞，展示了DIP在快速生物制造中的潛力。

研究人員表示，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)將開(kāi)發(fā)出DIP的進(jìn)一步模式或應(yīng)用，包括將聲學(xué)驅(qū)動(dòng)的傳輸系統(tǒng)直接集成到打印頭上或?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部順序多材料切換。未來(lái)的研究還可以進(jìn)一步表征和預(yù)測(cè)聲學(xué)圖案的參數(shù)空間，通過(guò)建模和利用底層結(jié)構(gòu)，或設(shè)計(jì)打印頭邊界拓?fù)?，?lái)生成所需的聲場(chǎng)，以探索更復(fù)雜的圖案策略。此外，還將擴(kuò)展到更高的數(shù)值孔徑將促進(jìn)快速微尺度制造。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9

導(dǎo)讀：體積生物打印是生物醫(yī)學(xué)工程的前沿技術(shù)，預(yù)計(jì)將在再生醫(yī)學(xué)、組織工程和高速原型制作等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革性應(yīng)用。雖然傳統(tǒng)的生物3D打印技術(shù)有效，但在分辨率、速度和材料兼容性方面受到限制，通常需要復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)和專(zhuān)門(mén)的化學(xué)環(huán)境。為了克服這一局限性，墨爾本大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)界面打印（DIP）技術(shù)。

2024年11月4日，據(jù)資源庫(kù)了解，動(dòng)態(tài)界面打?。―IP）利用受限的氣液界面和調(diào)制光，能夠快速實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐的高分辨率生物打印結(jié)構(gòu)，而無(wú)需依賴(lài)專(zhuān)門(mén)的化學(xué)或光學(xué)反饋系統(tǒng)。它還能與多種材料兼容，包括軟水凝膠和生物相關(guān)水凝膠。相關(guān)論文以“Dynamic interface printing”為題于2024年10月30日發(fā)表在《Nature》上。

這種新方法解決了傳統(tǒng)生物打印的一些長(zhǎng)期局限性。例如，立體光刻能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率，但需要逐層構(gòu)建，導(dǎo)致流程速度較慢，并需頻繁調(diào)整部件位置以補(bǔ)充材料。計(jì)算軸向光刻（CAL）通過(guò)旋轉(zhuǎn)小瓶光聚合物并在相交的光投影下暴露來(lái)提供更快的體積打印。然而，CAL依賴(lài)氧氣消耗來(lái)控制聚合，這使其對(duì)所用聚合物類(lèi)型及其固化劑量非常敏感。其他基于光的打印方法（如xolography）利用雙波長(zhǎng)光化學(xué)在軟材料中創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)，但需要復(fù)雜的光學(xué)設(shè)置，從而限制了材料的兼容性。

圖1. DIP示意圖

動(dòng)態(tài)界面打?。―IP）是以空心打印頭為中心，打印頭底部開(kāi)口，頂部有透明玻璃窗，實(shí)現(xiàn)對(duì)打印界面的高度控制。當(dāng)打印頭浸入液態(tài)預(yù)聚物溶液中時(shí)，它會(huì)捕獲氣泡，在打印頭末端形成氣液彎月面。該彎月面作為打印界面，通過(guò)玻璃投射的可見(jiàn)光在此形成結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部氣壓并利用聲波，該系統(tǒng)能夠微調(diào)彎月面的位置和曲率，促進(jìn)材料傳輸和均質(zhì)化，從而實(shí)現(xiàn)高速、無(wú)層的3D打印。

圖2. DIP系統(tǒng)的特性

與DIP兼容的材料范圍廣泛，包括柔軟的、生物相關(guān)的水凝膠、合成聚合物以及載有細(xì)胞的預(yù)聚物。例如，常用的生物打印材料如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和明膠甲基丙烯酰（GelMA）可在DIP的設(shè)置中無(wú)縫使用。由于打印過(guò)程快速且沿界面施加的剪切力最小，該技術(shù)能夠?qū)⒓?xì)胞活力保持在高水平（通常約為93%）。

凸面切片是DIP獨(dú)特功能的核心機(jī)制，與3D打印中的傳統(tǒng)平面切片方法不同。傳統(tǒng)方法將3D模型分解為一系列平面的二維（2D）圖像，而DIP利用打印頭尖端的彎曲彎月面來(lái)創(chuàng)建凸面界面。為了匹配這一彎曲界面，DIP使用一種算法對(duì)3D模型進(jìn)行切片，將標(biāo)準(zhǔn)平面切片轉(zhuǎn)換為符合彎月面輪廓的圖像。

圖3. DIP中的聲學(xué)調(diào)制

DIP的核心優(yōu)勢(shì)是其聲學(xué)調(diào)制系統(tǒng)。通過(guò)使用聲波控制彎月面的位置，DIP能夠精確調(diào)整材料流動(dòng)，從而改善打印質(zhì)量和界面上的材料分布。聲學(xué)調(diào)制在氣液邊界處誘發(fā)毛細(xì)管重力波，產(chǎn)生穩(wěn)定的流體流動(dòng)，使材料濃度均勻化并減輕沉淀問(wèn)題，這在使用載細(xì)胞水凝膠和其他生物復(fù)合材料進(jìn)行3D打印時(shí)尤為常見(jiàn)。

與傳統(tǒng)立體光刻技術(shù)相比，DIP的無(wú)層方法顯著加快了打印速度。DIP的流速可達(dá)約4倍，結(jié)合聲學(xué)調(diào)制后流速提升至10倍。DIP允許在界面上調(diào)制生成毛細(xì)管重力波，使材料流動(dòng)均勻，避免顆粒沉積。通過(guò)精確的界面調(diào)制，DIP在低透明材料（如含細(xì)胞水凝膠）中減少了散射和光吸收，實(shí)現(xiàn)了30-100μm的分辨率結(jié)構(gòu)。

圖4. DIP功能。

最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成功制造了一種復(fù)雜的腎臟狀水凝膠結(jié)構(gòu)，內(nèi)含人類(lèi)胚胎腎細(xì)胞，展示了DIP在快速生物制造中的潛力。

研究人員表示，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)將開(kāi)發(fā)出DIP的進(jìn)一步模式或應(yīng)用，包括將聲學(xué)驅(qū)動(dòng)的傳輸系統(tǒng)直接集成到打印頭上或?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部順序多材料切換。未來(lái)的研究還可以進(jìn)一步表征和預(yù)測(cè)聲學(xué)圖案的參數(shù)空間，通過(guò)建模和利用底層結(jié)構(gòu)，或設(shè)計(jì)打印頭邊界拓?fù)?，?lái)生成所需的聲場(chǎng)，以探索更復(fù)雜的圖案策略。此外，還將擴(kuò)展到更高的數(shù)值孔徑將促進(jìn)快速微尺度制造。

文章來(lái)源：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9