3D打印，最新Nature！复杂结构的原位快速制造

学术 2024-11-01 20:04 江苏

快速3D打印能够在数秒到数分钟内完成整个部件的制作，正逐步成为生物打印、原型设计和制造应用的重要支持技术。传统光学打印方法逐层固化材料，虽具备高分辨率和几何保真度，但因需在层与层之间重置位置来流动未固化树脂，限制了打印速度和材料的选择。新兴的体积打印技术，如计算轴向光刻，通过旋转光聚合物瓶并从不同方位角投射光束来快速生成厘米级结构，尽管聚合程度依赖于氧气消耗及材料成分，增设了打印局限性。Xolography和光片打印等方法通过双波长光化学反应实现自由浮动的各向同性结构，但对光学系统和材料成分有特殊要求，限制了细胞、颗粒等添加剂的使用。

在这里，墨尔本大学David J. Collins教授和Callum Vidler共同介绍动态界面打印，这是一种新的 3D 打印方法，利用声学调制、约束气液边界在数十秒内快速生成厘米级 3D 结构。与体积方法不同，该过程无需复杂的反馈系统、专门的化学或复杂的光学器件，同时保持快速的打印速度。本文展示了该技术在各种材料和复杂几何形状中的多功能性，包括那些无法使用传统逐层方法打印的材料和几何形状。在此过程中，作者展示了复杂结构的原位快速制造、套印、结构并行化和生物制造实用性。此外，结果表明，在气液边界形成表面波可以增强质量传输，提高材料的灵活性并允许 3D 颗粒图案化。因此，作者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具有无价的价值。相关成果以《Dynamic interface printing》为题发表在《Nature》上，第一作者为Callum Vidler。

动态界面打印

动态界面打印（DIP）利用一种底部开放、顶部封闭透明玻璃窗的中空打印头，通过将其浸入液体预聚物溶液中捕获空气，形成用于打印的气液弯液面。光通过玻璃窗照射至弯液面，在此界面进行聚合成形（图1a），分辨率可达15.1 µm，且光照强度可调。打印时，通过调节打印头内气压控制弯液面的位置和曲率，使其与焦平面对齐，并通过逐层投影构建物体。DIP独特之处在于动态调节气压控制弯液面形状，同时可通过声学调制形成毛细管重力波（图1b）。这一驱动可在投影间短暂激活或持续激活（图1c），从而快速构建厘米级高分辨率结构（图1d、e）。DIP对容器形状或光学特性无特殊要求，使其能够以高制造速率实现多种材料加工及粒子图案化。

图 1：DIP 示意图

DIP 技术通过中空打印头捕获空气形成气液弯液面，在此界面上进行光聚合（图2a）。该技术需将 3D 数字模型转化为与弯液面匹配的图像序列，通过逐步升降打印头构建目标结构。为了生成界面形状，使用贝塞尔曲线求解杨-拉普拉斯方程以确保精准打印（图2b）。DIP 打印速率高、剪切力低，适用于生物材料，如 PEGDA 和 GelMA，且能在高或低光功率下形成厘米级结构（图2d）。然而，界面曲率引发的边缘散焦现象会影响分辨率，通过贝塞尔解和光束理论预测该效果，以实现材料分布的最佳匹配（图2e）。

图 2：DIP 系统的特性

DIP 的核心创新在于通过声学调制实现振动打印界面，既能优化光打印过程，还为 3D 打印结构增添图案灵活性。声学调制在气液界面产生毛细重力波，促进流体传输，提升打印速度和精度（图3a、b）。通过调节打印头内的体积，DIP 保持与容器无关的优势，并消除了压力场与容器形状的耦合。不同频率和振幅的声波模式在打印头安装的多色 LED 上显示（图3c），低频时形成单色方位波，高频时生成旋转对称波，这些波模的流动在界面处达到每秒10毫米以上（图3d、e）。打印头移动结合声学激励后，流体速度显著提升至每秒45毫米，尤其对高粘度材料效果明显（图3f）。此外，声学调制有效避免了颗粒沉积，优化含细胞悬浮液的分布，提高封装效率两倍，显著提升结构致密性和各向同性（图3g）。

图 3：DIP 中的声学调制。

DIP 功能

DIP 技术通过声学调制振动气液界面，显著提升打印速度与质量传递（图4a-c），同时支持更复杂的 3D 结构和多种材料。相比自上而下立体光刻，DIP 可达约 4 倍的流速，结合声学调制流速提升至10倍。DIP 允许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）中减少散射和光吸收，实现30-100μm分辨率结构（图4e-f）。此外，DIP 可集成多层次打印头控制，实现同时打印多个部件或图案，并通过驻波和声学调制实现模块化3D粒子排列（图4h、i）

图 4：DIP 功能。

小结

本文展示了一种基于DIP的高速3D打印方法，其制造速率超过104 mm³/min，比计算轴向光刻和xolography等高速工艺更快。通过表面张力和声驱动流动，DIP实现了无需复杂光化学反馈的高效打印，且多接口打印头能进一步提高吞吐量，支持多孔板上同时制造。可渗透的打印界面提供了可控的套印、质量传输和3D图案化等功能，特别适合柔软、生物相关材料的高速高分辨率制造。未来，DIP可通过声驱动传输、顺序材料切换和更高数值孔径进一步优化，实现更复杂的生物结构与细胞图案化，尤其适用于需要高速和高分辨率的生物制造应用。

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