2025年第3篇與3D打印技術(shù)相關(guān)的Nature正刊文章于9月3日發(fā)表。來 自 荷蘭烏得勒支烏得勒支大學醫(yī)學中心 的研究人員，發(fā)表了題為“Adaptive and context-aware volumetric printing” 的文章。

3D打印通常是一個線性過程，工作流程基本保持不變。用戶決定打印的幾何形狀，但對于打印材料內(nèi)部特征的分布情況并不能掌握。然而，對于組織生物和多組分材料的打印，產(chǎn)品的功能取決于最終打印結(jié)構(gòu)中“元素”的相對位置。

根據(jù)可打印材料的空間、化學和物理特性，精確定制結(jié)構(gòu)的能力將會給3D打印帶來更廣闊的應用空間。這些應用包括生成適應其細胞需求的高功能組織，以及具有復雜幾何形狀和機械功能的多材料打印件，從而可以生產(chǎn)用于軟體機器人的機械關(guān)節(jié)。

體積打印技術(shù)利用光固化樹脂，在2-4秒內(nèi)即可打印出復雜的3D物體。此類技術(shù)可以在現(xiàn)有物體周圍非侵入式地制造結(jié)構(gòu)，甚至可以跨越厘米級的打印材料或之前打印過的部件。

本研究中使用的定制體積3D打印機

這項研究開發(fā)了一種名為“生成式、自適應、情境感知”3D 打印 (GRACE) 的工作流程，它使打印機能夠“看到”可打印材料中的特征，并利用獲取的視覺數(shù)據(jù)來設(shè)計打印對象。

研究人員打造了一臺定制的體積3D打印機，并將其與光片成像技術(shù)相結(jié)合，能夠在厘米級體積上映射熒光標記或遮光特征。然后，將映射數(shù)據(jù)解析到設(shè)計建模軟件中，根據(jù)打印機成像的空間線索自動生成定制的幾何圖形。最終結(jié)果是幾何圖形可精確定制，可快速重新配置以實現(xiàn)精確對齊打印。原本需要數(shù)小時或數(shù)天才能完成的工作，現(xiàn)在只需數(shù)十秒即可完成。

研究人員將GRACE技術(shù)用于可封裝顆粒和細胞的合成和生物材料，并生成包含細胞聚集體的復雜血管狀結(jié)構(gòu)。還使用多個數(shù)據(jù)流，基于尺寸和光譜發(fā)射進行特征識別，從而圍繞熒光標記的細胞群生成特定的結(jié)構(gòu)。

此外，GRACE技術(shù)能夠自動將新元素對齊并打印到先前打印的部件上，從而生成復雜、多組分、富含細胞的組織。具體來說，研究人員在股骨（大腿骨）模型中打印了一個骨-軟骨單元，從而形成了使用傳統(tǒng)技術(shù)難以制造的分層幾何結(jié)構(gòu)。特征映射還能檢測通常會阻礙光打印的遮光特征。因此，GRACE技術(shù)可以在不透明物體（例如聚合物支架）周圍甚至內(nèi)部打印復雜的幾何形狀。

在現(xiàn)有或之前生產(chǎn)的部件上打印

這項研究對3D打印有著根本性的意義。這意味著打印結(jié)構(gòu)現(xiàn)在可以適應樣品，而不是反過來。它有望應用于微流體和生物結(jié)構(gòu)的制造，研究人員現(xiàn)在可以控制哪些細胞被灌注以及如何灌注，并以高度定制的方式管理每個細胞或顆粒周圍環(huán)境的特性，從而生產(chǎn)下一代工程化生物材料。

體積打印技術(shù)尚處于起步階段，打印精度和分辨率方面存在局限性。這限制了 GRACE技術(shù)目前的操作規(guī)模，大多數(shù)特征映射是在類器官尺度（幾十微米到幾毫米）上進行的，打印分辨率約為100-200微米。

基于生物墨水中細胞的存在形成血管網(wǎng)絡(luò)

除了用于體積打印的光誘導交聯(lián)外，該團隊還將探索其他形式的情境感知打印誘導反應，例如生物活性分子的光接枝或光介導的打印材料機械性能的局部控制。

英國諾丁漢大學教授Alvaro Mata表示，“這項研究展示了一種預先開發(fā)的工作流程的潛力，它集成了成像和自適應建模，可用于體積3D打印。我相信這項研究將通過解決體積3D打印的關(guān)鍵局限性并擴展其功能，為該領(lǐng)域做出重大貢獻。鑒于該研究能夠適應多種打印模式，并且該工作流程可應用于不同領(lǐng)域，因此具有廣泛的應用前景?！?/p>

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

歡迎轉(zhuǎn)發(fā)

千人行業(yè)專家交流Q群：248112776

1.

2.

3.

4.