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最新《Nature》:動態(tài)界面3D打印 

2024-11-04 08:45
導(dǎo)讀:體積生物打印是生物醫(yī)學(xué)工程的前沿技術(shù),預(yù)計將在再生醫(yī)學(xué)、組織工程和高速原型制作等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)變革性應(yīng)用。雖然傳統(tǒng)的生物3D打印技術(shù)有效,但在分辨率、速度和材料兼容性方面受到限制,通常需要復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)和專門的化學(xué)環(huán)境。為了克服這一局限性,墨爾本大學(xué)的研究人員開發(fā)了動態(tài)界面打印(DIP)技術(shù)。
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2024年11月4日,據(jù)資源庫了解,動態(tài)界面打?。―IP)利用受限的氣液界面和調(diào)制光,能夠快速實現(xiàn)無支撐的高分辨率生物打印結(jié)構(gòu),而無需依賴專門的化學(xué)或光學(xué)反饋系統(tǒng)。它還能與多種材料兼容,包括軟水凝膠和生物相關(guān)水凝膠。相關(guān)論文以“Dynamic interface printing”為題于2024年10月30日發(fā)表在《Nature》上。
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這種新方法解決了傳統(tǒng)生物打印的一些長期局限性。例如,立體光刻能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率,但需要逐層構(gòu)建,導(dǎo)致流程速度較慢,并需頻繁調(diào)整部件位置以補(bǔ)充材料。計算軸向光刻(CAL)通過旋轉(zhuǎn)小瓶光聚合物并在相交的光投影下暴露來提供更快的體積打印。然而,CAL依賴氧氣消耗來控制聚合,這使其對所用聚合物類型及其固化劑量非常敏感。其他基于光的打印方法(如xolography)利用雙波長光化學(xué)在軟材料中創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu),但需要復(fù)雜的光學(xué)設(shè)置,從而限制了材料的兼容性。
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圖1. DIP示意圖

動態(tài)界面打印(DIP)是以空心打印頭為中心,打印頭底部開口,頂部有透明玻璃窗,實現(xiàn)對打印界面的高度控制。當(dāng)打印頭浸入液態(tài)預(yù)聚物溶液中時,它會捕獲氣泡,在打印頭末端形成氣液彎月面。該彎月面作為打印界面,通過玻璃投射的可見光在此形成結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)內(nèi)部氣壓并利用聲波,該系統(tǒng)能夠微調(diào)彎月面的位置和曲率,促進(jìn)材料傳輸和均質(zhì)化,從而實現(xiàn)高速、無層的3D打印。
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圖2. DIP系統(tǒng)的特性

與DIP兼容的材料范圍廣泛,包括柔軟的、生物相關(guān)的水凝膠、合成聚合物以及載有細(xì)胞的預(yù)聚物。例如,常用的生物打印材料如聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和明膠甲基丙烯酰(GelMA)可在DIP的設(shè)置中無縫使用。由于打印過程快速且沿界面施加的剪切力最小,該技術(shù)能夠?qū)⒓?xì)胞活力保持在高水平(通常約為93%)。

凸面切片是DIP獨(dú)特功能的核心機(jī)制,與3D打印中的傳統(tǒng)平面切片方法不同。傳統(tǒng)方法將3D模型分解為一系列平面的二維(2D)圖像,而DIP利用打印頭尖端的彎曲彎月面來創(chuàng)建凸面界面。為了匹配這一彎曲界面,DIP使用一種算法對3D模型進(jìn)行切片,將標(biāo)準(zhǔn)平面切片轉(zhuǎn)換為符合彎月面輪廓的圖像。

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圖3. DIP中的聲學(xué)調(diào)制

DIP的核心優(yōu)勢是其聲學(xué)調(diào)制系統(tǒng)。通過使用聲波控制彎月面的位置,DIP能夠精確調(diào)整材料流動,從而改善打印質(zhì)量和界面上的材料分布。聲學(xué)調(diào)制在氣液邊界處誘發(fā)毛細(xì)管重力波,產(chǎn)生穩(wěn)定的流體流動,使材料濃度均勻化并減輕沉淀問題,這在使用載細(xì)胞水凝膠和其他生物復(fù)合材料進(jìn)行3D打印時尤為常見。

與傳統(tǒng)立體光刻技術(shù)相比,DIP的無層方法顯著加快了打印速度。DIP的流速可達(dá)約4倍,結(jié)合聲學(xué)調(diào)制后流速提升至10倍。DIP允許在界面上調(diào)制生成毛細(xì)管重力波,使材料流動均勻,避免顆粒沉積。通過精確的界面調(diào)制,DIP在低透明材料(如含細(xì)胞水凝膠)中減少了散射和光吸收,實現(xiàn)了30-100μm的分辨率結(jié)構(gòu)。
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圖4. DIP功能。

最近的一項實驗成功制造了一種復(fù)雜的腎臟狀水凝膠結(jié)構(gòu),內(nèi)含人類胚胎腎細(xì)胞,展示了DIP在快速生物制造中的潛力。

研究人員表示,可以預(yù)見,未來將開發(fā)出DIP的進(jìn)一步模式或應(yīng)用,包括將聲學(xué)驅(qū)動的傳輸系統(tǒng)直接集成到打印頭上或?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部順序多材料切換。未來的研究還可以進(jìn)一步表征和預(yù)測聲學(xué)圖案的參數(shù)空間,通過建模和利用底層結(jié)構(gòu),或設(shè)計打印頭邊界拓?fù)洌瑏砩伤璧穆晥?,以探索更?fù)雜的圖案策略。此外,還將擴(kuò)展到更高的數(shù)值孔徑將促進(jìn)快速微尺度制造。

文章來源:
https://doi.org/10.1038/s44222-024-00251-9
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