2024年10月30日，相关成果以" Dynamic interface printing"为题发表在Nature上。第一作者为 Callum Vidler，Callum Vidler、David J. Collins为通讯作者。
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。
综上，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。
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08077-6
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