導讀：體積生物打印是生物醫(yī)學工程的前沿技術，預計將在再生醫(yī)學、組織工程和高速原型制作等領域實現(xiàn)變革性應用。雖然傳統(tǒng)的生物3D打印技術有效，但在分辨率、速度和材料兼容性方面受到限制，通常需要復雜的支撐結構和專門的化學環(huán)境。為了克服這一局限性，墨爾本大學的研究人員開發(fā)了動態(tài)界面打印（DIP）技術。

2024年11月4日，據(jù)資源庫了解，動態(tài)界面打?。―IP）利用受限的氣液界面和調制光，能夠快速實現(xiàn)無支撐的高分辨率生物打印結構，而無需依賴專門的化學或光學反饋系統(tǒng)。它還能與多種材料兼容，包括軟水凝膠和生物相關水凝膠。相關論文以“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)生物打印的一些長期局限性。例如，立體光刻能夠實現(xiàn)高分辨率，但需要逐層構建，導致流程速度較慢，并需頻繁調整部件位置以補充材料。計算軸向光刻（CAL）通過旋轉小瓶光聚合物并在相交的光投影下暴露來提供更快的體積打印。然而，CAL依賴氧氣消耗來控制聚合，這使其對所用聚合物類型及其固化劑量非常敏感。其他基于光的打印方法（如xolography）利用雙波長光化學在軟材料中創(chuàng)建3D結構，但需要復雜的光學設置，從而限制了材料的兼容性。

圖1. DIP示意圖

動態(tài)界面打?。―IP）是以空心打印頭為中心，打印頭底部開口，頂部有透明玻璃窗，實現(xiàn)對打印界面的高度控制。當打印頭浸入液態(tài)預聚物溶液中時，它會捕獲氣泡，在打印頭末端形成氣液彎月面。該彎月面作為打印界面，通過玻璃投射的可見光在此形成結構。通過調節(jié)內部氣壓并利用聲波，該系統(tǒng)能夠微調彎月面的位置和曲率，促進材料傳輸和均質化，從而實現(xiàn)高速、無層的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、生物相關的水凝膠、合成聚合物以及載有細胞的預聚物。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的設置中無縫使用。由于打印過程快速且沿界面施加的剪切力最小，該技術能夠將細胞活力保持在高水平（通常約為93%）。

凸面切片是DIP獨特功能的核心機制，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3D模型進行切片，將標準平面切片轉換為符合彎月面輪廓的圖像。

圖3. DIP中的聲學調制

DIP的核心優(yōu)勢是其聲學調制系統(tǒng)。通過使用聲波控制彎月面的位置，DIP能夠精確調整材料流動，從而改善打印質量和界面上的材料分布。聲學調制在氣液邊界處誘發(fā)毛細管重力波，產生穩(wěn)定的流體流動，使材料濃度均勻化并減輕沉淀問題，這在使用載細胞水凝膠和其他生物復合材料進行3D打印時尤為常見。

與傳統(tǒng)立體光刻技術相比，DIP的無層方法顯著加快了打印速度。DIP的流速可達約4倍，結合聲學調制后流速提升至10倍。DIP允許在界面上調制生成毛細管重力波，使材料流動均勻，避免顆粒沉積。通過精確的界面調制，DIP在低透明材料（如含細胞水凝膠）中減少了散射和光吸收，實現(xiàn)了30-100μm的分辨率結構。

圖4. DIP功能。

最近的一項實驗成功制造了一種復雜的腎臟狀水凝膠結構，內含人類胚胎腎細胞，展示了DIP在快速生物制造中的潛力。

研究人員表示，可以預見，未來將開發(fā)出DIP的進一步模式或應用，包括將聲學驅動的傳輸系統(tǒng)直接集成到打印頭上或實現(xiàn)內部順序多材料切換。未來的研究還可以進一步表征和預測聲學圖案的參數(shù)空間，通過建模和利用底層結構，或設計打印頭邊界拓撲，來生成所需的聲場，以探索更復雜的圖案策略。此外，還將擴展到更高的數(shù)值孔徑將促進快速微尺度制造。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9

導讀：體積生物打印是生物醫(yī)學工程的前沿技術，預計將在再生醫(yī)學、組織工程和高速原型制作等領域實現(xiàn)變革性應用。雖然傳統(tǒng)的生物3D打印技術有效，但在分辨率、速度和材料兼容性方面受到限制，通常需要復雜的支撐結構和專門的化學環(huán)境。為了克服這一局限性，墨爾本大學的研究人員開發(fā)了動態(tài)界面打印（DIP）技術。

2024年11月4日，據(jù)資源庫了解，動態(tài)界面打?。―IP）利用受限的氣液界面和調制光，能夠快速實現(xiàn)無支撐的高分辨率生物打印結構，而無需依賴專門的化學或光學反饋系統(tǒng)。它還能與多種材料兼容，包括軟水凝膠和生物相關水凝膠。相關論文以“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)生物打印的一些長期局限性。例如，立體光刻能夠實現(xiàn)高分辨率，但需要逐層構建，導致流程速度較慢，并需頻繁調整部件位置以補充材料。計算軸向光刻（CAL）通過旋轉小瓶光聚合物并在相交的光投影下暴露來提供更快的體積打印。然而，CAL依賴氧氣消耗來控制聚合，這使其對所用聚合物類型及其固化劑量非常敏感。其他基于光的打印方法（如xolography）利用雙波長光化學在軟材料中創(chuàng)建3D結構，但需要復雜的光學設置，從而限制了材料的兼容性。

圖1. DIP示意圖

動態(tài)界面打?。―IP）是以空心打印頭為中心，打印頭底部開口，頂部有透明玻璃窗，實現(xiàn)對打印界面的高度控制。當打印頭浸入液態(tài)預聚物溶液中時，它會捕獲氣泡，在打印頭末端形成氣液彎月面。該彎月面作為打印界面，通過玻璃投射的可見光在此形成結構。通過調節(jié)內部氣壓并利用聲波，該系統(tǒng)能夠微調彎月面的位置和曲率，促進材料傳輸和均質化，從而實現(xiàn)高速、無層的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、生物相關的水凝膠、合成聚合物以及載有細胞的預聚物。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的設置中無縫使用。由于打印過程快速且沿界面施加的剪切力最小，該技術能夠將細胞活力保持在高水平（通常約為93%）。

凸面切片是DIP獨特功能的核心機制，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3D模型進行切片，將標準平面切片轉換為符合彎月面輪廓的圖像。

圖3. DIP中的聲學調制

DIP的核心優(yōu)勢是其聲學調制系統(tǒng)。通過使用聲波控制彎月面的位置，DIP能夠精確調整材料流動，從而改善打印質量和界面上的材料分布。聲學調制在氣液邊界處誘發(fā)毛細管重力波，產生穩(wěn)定的流體流動，使材料濃度均勻化并減輕沉淀問題，這在使用載細胞水凝膠和其他生物復合材料進行3D打印時尤為常見。

與傳統(tǒng)立體光刻技術相比，DIP的無層方法顯著加快了打印速度。DIP的流速可達約4倍，結合聲學調制后流速提升至10倍。DIP允許在界面上調制生成毛細管重力波，使材料流動均勻，避免顆粒沉積。通過精確的界面調制，DIP在低透明材料（如含細胞水凝膠）中減少了散射和光吸收，實現(xiàn)了30-100μm的分辨率結構。

圖4. DIP功能。

最近的一項實驗成功制造了一種復雜的腎臟狀水凝膠結構，內含人類胚胎腎細胞，展示了DIP在快速生物制造中的潛力。

研究人員表示，可以預見，未來將開發(fā)出DIP的進一步模式或應用，包括將聲學驅動的傳輸系統(tǒng)直接集成到打印頭上或實現(xiàn)內部順序多材料切換。未來的研究還可以進一步表征和預測聲學圖案的參數(shù)空間，通過建模和利用底層結構，或設計打印頭邊界拓撲，來生成所需的聲場，以探索更復雜的圖案策略。此外，還將擴展到更高的數(shù)值孔徑將促進快速微尺度制造。

文章來源：
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9