特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。
原创丨米测MeLab
编辑丨风云
研究背景
增材制造是一个不断扩大的多学科领域，其应用领域包括医疗设备、航空航天部件、微加工策略和人造器官。在增材制造方法中，基于光的打印技术，包括双光子聚合，投影微立体光刻和体积打印，由于其速度，分辨率或生物制造的潜在应用而引起了极大的关注。
关键问题
然而，增材制造的研究主要存在以下问题：
1、现有的打印方法存在材料成分和固化程度的限制
现有的立体平板印刷存在打印速度、材料成分和产量的限制；在体积打印方法中，固化程度对聚合剂量和材料组成都高度敏感，这限制了可以使用的材料类型和打印过程中的化学控制，进而可能影响打印结构的机械性能和生物相容性。
2、分辨率和材料透明度的关联限制了打印结构的功能化和复杂性
其他体积打印技术虽然允许快速制造自由浮动的各向同性结构，但它们受到专业光学系统或材料配方要求的限制，这限制了打印结构的功能化和复杂性，尤其是在需要集成多种材料或生物活性成分的应用中。
新思路
有鉴于此，墨尔本大学Callum Vidler、David J. Collins等人介绍了动态界面打印，这是一种新的3D打印方法，利用声学调制，约束气液边界在几十秒内快速生成厘米级3D结构。与体积法不同，这种方法在保持快速打印的同时，消除了对复杂的反馈系统、专业化学或复杂光学的需要。作者展示了这种技术在各种材料和复杂几何形状上的多功能性，包括那些无法用传统的逐层方法打印的材料。在此过程中，作者还展示了复杂结构的快速原位制造，套印，结构并行化和生物制造的实用性。此外，作者表明，在气液边界形成的表面波可以增强质量输运，提高材料的灵活性，并允许3D粒子图案。因此，预计这种方法对于需要高分辨率，可扩展吞吐量和生物相容性打印的应用将是非常宝贵的。
技术方案：
1、展示了在几十秒内制造各种厘米级物体的动态界面打印方法
作者展示了DIP技术通过调节打印头内压力控制气液弯月面，实现快速、高分辨率3D打印，适用于多种材料，能在几十秒内制造厘米级物体。
2、阐述了动态界面打印技术的特性
DIP技术需将3D模型转为图像序列，通过弯曲的弯月面投影。利用贝塞尔曲线预测界面形状，可实现快速、高分辨率3D打印，并适用于生物材料。
3、探究了DIP技术通过声学调制振动打印界面
DIP技术通过声学调制振动打印界面，提升3D打印速度和精度，减少颗粒添加剂异质性，提高封装效率。
4、展示了DIP技术的功能
作者证实了DIP技术可提升流速和质量传输，支持高分辨率打印和多材料结构制造，适用于生物制造，具有低细胞毒性和高细胞活力。
技术优势：
1、提出了一种声学驱动的约束气液界面快速3D打印技术
作者提出了一种快速3D打印技术，这种动态界面打印技术利用声学调制，约束气液边界在几十秒内快速生成厘米级3D结构，消除了对复杂反馈系统、专业化学或复杂光学的需求。
2、阐明了表面波可以增强质量输运，并允许3D粒子图案化
作者表明，在气液边界形成的表面波可以增强质量输运，提高材料的灵活性，并允许3D粒子图案化。这种特性预计对于需要高分辨率、可扩展吞吐量和生物相容性打印的应用将是非常宝贵的。
技术细节
动态界面打印
本工作报道的动态界面打印（DIP）是一种创新的3D打印技术，使用底部开口、顶部密封的中空打印头，将空气困在液体预聚物溶液中形成气液弯月面。通过可见光聚合，结合投影系统传送图案化横截面，实现快速打印。DIP的核心在于动态调节打印头内压力，控制弯月面形状和位置，实现静态或声学调制的动态弯月面。这种调制允许毛细重力波形成，增强质量输运，提高制造率，实现高分辨率结构的快速形成。DIP与容器无关，不限制容器形状或光学特性，扩大了材料处理范围，并实现了3D粒子图案化和套印功能，能在几十秒内制造厘米级物体。
图 DIP原理图
DIP特性
动态界面打印（DIP）技术要求将3D数字模型转换为图像序列，并通过投影系统显示。与标准立体光刻不同，DIP使用弯曲的弯月面，需要符合界面轮廓的图像。打印从压缩界面开始，形成薄流体膜，随后压缩轮廓后退，直至与容器底部相切。贝塞尔曲线用于求解杨氏-拉普拉斯方程，预测界面形状。DIP通过3D贝塞尔曲面切片计算投影序列，确保正确的3D物体形成。相比其他技术，DIP打印速度快，剪切小，适用于生物模型制造。例如，在PEGDA水凝胶中，实现了超过700 µm/s的线性打印速率。DIP还考虑了打印头边界附近的图像失焦问题，通过理论分析预测等效散焦像素大小，并评估弯月面的可用分数，以保持均匀的投影分辨率。
图 DIP系统的特性
DIP声调制
DIP技术通过声学调制振动打印界面，增强基于光的3D打印过程，并增加图案化自由度。这种调制在气液界面产生毛细管重力波，促进流体流动，提高打印速度和精度。DIP技术通过调节打印头体积激发界面，保持与容器无关性，消除了压力场与容器形状的耦合。毛细重力波的快速衰减允许精确控制声学信号组合。多色LED显示了不同频率下的波模式，产生切向和法向流动，增强质量传输。声学调制显著提升了流体速度，尤其在高粘度材料中，显著增强材料流入。这种调制还减少了颗粒添加剂的异质性，提高了封装效率，减少了创建致密支架所需的颗粒添加剂或细胞总数，优化了生物打印过程中的细胞分布。
图 DIP中的声调制
DIP功能
DIP技术相较于传统立体光刻，通过声学调制显著提升了流速，最高可达10倍，有效改善质量传输和材料膜均匀性问题。DIP技术不受几何限制，能够制造包含多个独立流体通道的结构，且能在不透明材料中减少光散射和吸收，实现高分辨率结构打印。此外，DIP支持多材料或多组分结构的直接原位叠印，允许固体部件穿过打印界面。在生物制造领域，DIP技术显示出巨大潜力，能够直接在水凝胶中打印载细胞结构，且细胞活力高，显示出低细胞毒性。DIP技术还支持连续制造和多种材料密度组合，为制造平台提供了灵活性。
图 DIP功能
展望
总之，作者提出了一种快速且概念优雅的打印方法，该方法依赖于形成受约束和声学调制的气液界面。作者展示了一种多功能、高通量的方法，该方法对制造软和生物相关材料具有独特的优势。DIP特别适合快速、高分辨率地打印柔软生物材料，具有高通量生物制造潜力，能实现多种细胞类型的图案化，对生物制造领域具有重大意义。
参考文献：
Vidler, C., Halwes, M., Kolesnik, K. et al. Dynamic interface printing. Nature 634, 1096–1102 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08077-6
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