全文3000字，阅读需5分钟。本文分享发布在Nature正刊的镓基跨尺度3D打印研究成果。
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在生物医学领域，精准构建复杂的生物组织结构一直是一个巨大挑战。
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来自美国波士顿大学、哈佛大学医学院和葡萄牙阿威罗大学的跨国研究团队在国际顶级期刊Nature上发表了题为《Sacrificial capillary pumps to engineer multiscalar biological forms》的研究论文：
开发出一种基于镓的ESCAPE（engineered sacrificial capillary pumps for evacuation，工程化牺牲毛细泵疏散）工艺：
这项技术巧妙地利用了一种特殊金属—镓的独特性质，首次实现了在天然水凝胶中构建从微米到毫米尺度的复杂生物结构。
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这就像是给生物3D打印装上了一双"魔术手"，能够同时掌控宏观与微观世界的精密操作。
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创新不仅为生物3D打印领域带来了新的机遇，更为组织工程和再生医学开辟了广阔前景。
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文中有大量精美的图片，相信AM易道读者看完也会惊叹其跨尺度打印的能力！立体光固化等技术可以制造较大的结构但难以实现微米级精度，而光刻等技术虽然可以达到亚微米精度但受限于小体积。那么，如何在保持高精度的同时实现大尺寸制造？研究团队给出了一个巧妙的解决方案。他们选择了一个看似"意想不到"却又"恰到好处"的材料 — 镓。这种金属在室温下呈固态，但其熔点仅为29.8℃，接近人体温度。更妙的是，镓表面会形成一层可调控的氧化膜，这种特性让它能够通过毛细力精确控制流动。![]()
研究人员发现，当使用碱性溶液（如10-20mM NaOH）去除镓表面的氧化层时，液态镓会产生定向的毛细流动，从而能够完整地从复杂结构中抽出，不会破坏周围的软水凝胶结构。ESCAPE工艺的一个重要创新点在于它巧妙地结合了多种先进制造技术。![]()
研究团队使用商用双光子直写系统（Extended Data Fig. 2a）来制作初始结构，这种技术能够实现超高精度的3D打印。有趣的是，研究人员并不局限于特定的打印技术，而是采用了一种更加灵活的方案:先制作PDMS软模具（Extended Data Fig. 2b），再通过这个中间模具来制作最终的镓铸件。为了实现复杂的自交叉结构（如结状血管），他们设计了厚度仅为10-14微米的超薄支撑墙。![]()
这些支撑结构巧妙地利用了镓的表面张力特性: 当注入压力适当时，液态镓会选择性地填充主要结构而不会进入这些微小的支撑空间（Extended Data Fig. 5a-b）。
在多组件结构的制造方面，研究团队开发出了精确的对齐技术。
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以淋巴-血管网络的构建为例（Extended Data Fig. 10c-d），他们通过在凝胶区域外设计特殊的定位结构，成功实现了两个独立镓铸件的精确对齐。特别值得一提的是，Extended Data Fig. 8展示了一个令人印象深刻的实验：在4×4平方毫米的区域内构建具有99个末端分支的血管树网络。![]()
通过空间算法的优化，这些分支能够均匀地分布在目标区域，为组织供氧提供了理想的结构基础。Extended Data Fig. 11则展示了这项技术在复杂组织构建中的应用。![]()
研究团队成功制造出了螺旋状的心肌束与血管的复合结构，其中心肌部分能够实现90%的细胞密度，这个成果充分展示了ESCAPE工艺在组织工程领域的巨大潜力。研究团队用一系列令人印象深刻的案例展示了ESCAPE工艺的强大能力。
首先是著名的"斯坦福兔子"模型，从最细的耳尖（约50微米）到整体轮廓（约1毫米），都实现了高保真度复制。
更令人惊叹的是，这个空腔结构可以被人体内皮细胞完整覆盖，形成具有生物功能的组织结构。在血管网络构建方面，（前文大图已提及）该技术的表现更是出色。![]()
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如图2-3所示，研究团队成功制备出了从60微米到数百微米不等的分叉血管树，这些血管不仅形态逼真，还能实现细胞的均匀覆盖。ESCAPE工艺的应用范围远不止于血管网络的构建。![]()
前文展示的内容来看，研究团队还成功构建了上皮导管、淋巴-血管网络，以及具有近端血管的致密心肌束等复杂组织结构。
这些成果充分展示了该技术在组织工程、器官芯片开发等领域的巨大潜力。AM易道认为，这项技术的重要性不仅在于其技术创新，更在于它为生物3D打印开辟了一个全新的发展方向。通过巧妙利用物理化学原理，ESCAPE工艺解决了长期困扰该领域的精度与尺寸之间的矛盾，为未来构建功能人造器官提供了新的可能。AM易道认为，ESCAPE技术的创新价值可能远不止于生物3D打印领域。这项利用液态金属和毛细泵效应的精妙工艺，完全可能在其他增材制造领域开启新的应用方向。在微流控芯片制造领域，ESCAPE工艺的精确控制能力可能带来革命性突破。想象一下，通过设计复杂的镓基模板，我们可以在各类材料中构建出前所未有的三维微流道网络。在功能性材料制造方面，ESCAPE的多尺度控制优势同样大有可为。例如，我们可以利用这项技术在金属、陶瓷或高分子材料中构建具有层级结构的多孔材料，这种材料在能源存储、催化剂载体、隔热材料等领域都具有广阔的应用前景。通过将响应性材料与镓基模板相结合，我们可能实现外部刺激下的可控变形结构，这在智能器件、可重构材料等前沿领域都有潜力。AM易道推测，下一步的研究会包括如何进一步提高制造效率，如何实现更复杂的组织结构构建，以及如何保证长期的生物相容性等。AM易道认为，ESCAPE工艺展现了跨学科创新的独特魅力：它将材料科学、流体力学、生物工程等多个领域的知识融会贯通，创造出了一个优雅而实用的解决方案。从应用前景来看，这项技术的影响将远远超出实验室层面。它不仅能够推动器官芯片、组织工程等领域的快速发展，还可能在药物筛选、疾病建模等方面发挥重要作用。特别是在精准医疗时代，这种能够构建出个性化组织结构的技术将具有无可替代的价值。原文还有大量技术细节和精美图片，叹为观止，请读者自行阅读原文。https://doi.org/10.1038/s41586-024-08175-5![]()
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让我们期待这项技术在实际应用中发挥更大的价值，AM易道将持续关注。
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